三种产羟基脂肪酸普亚果物种染色体水平基因组解析及FAH12酶功能进化研究

《Nature Communications》：Chromosome-level assembly and analysis of three hydroxy fatty acid-producing Physaria species

本研究针对羟基脂肪酸(HFA)可持续生产的需求，对三种产HFA的普亚果属植物(Physaria)进行了染色体水平基因组组装与比较分析。研究人员揭示了该属植物在演化过程中经历的特异性全基因组复制事件，并通过转录组与酶功能实验证实FAH12基因关键氨基酸残基的变异是导致物种间HFA含量差异的重要原因。该研究为工业用油料作物的遗传改良提供了宝贵的基因组资源与关键靶点。

　　

在追求绿色可持续发展的今天，植物油脂作为重要的工业原料备受关注。然而，大多数传统油料作物主要积累普通脂肪酸，无法满足特种化学品的生产需求。羟基脂肪酸(HFA)因其分子中特有的羟基官能团，在润滑剂、塑料、化妆品等工业领域具有独特价值。目前，蓖麻是HFA的主要来源，但其种子中含有剧毒蓖麻毒素和强致敏蛋白，限制了大规模种植。普亚果属(Physaria)植物作为十字花科新锐油料资源，其种子可积累高达85%的Lesquerolic酸(C_20:1-OH)，且不含毒素，被誉为蓖麻的理想替代品。然而，与蓖麻相比，主栽品种P. fendleri的含油量(27-33%)和HFA含量(约60%)均较低，且其油脂合成分子机制不清，基因组资源匮乏，严重制约了该作物的遗传改良进程。

为破解这一难题，由华中农业大学郭亮、陈玲玲、卢少平与美国蒙大拿州立大学卢朝福等领衔的国际合作团队，在《Nature Communications》上发表了题为"Chromosome-level assembly and analysis of three hydroxy fatty acid-producing Physaria species"的重要研究成果。研究团队综合运用PacBio长读长测序、Hi-C染色体构象捕获等技术，完成了P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri三种普亚果物种的染色体水平基因组组装，并通过比较基因组学、转录组学和酶学实验系统解析了HFA合成的遗传基础与进化机制。

研究采用的主要技术方法包括：利用PacBio HiFi/CLR长读长测序结合Illumina短读长校正进行基因组de novo组装；通过Hi-C技术辅助染色体挂载；使用BUSCO和LAI指数评估基因组组装质量；结合同源预测、de novo预测和转录组证据注释基因功能；通过Ks值分析和共线性比对鉴定全基因组复制事件；采用RNA-seq进行差异表达基因分析；利用哺乳动物细胞表达系统进行FAH12酶活测定；通过AlphaFold3结构预测和分子对接分析底物结合特性；创制转基因拟南芥验证基因功能。

高质量组装和注释三个普亚果基因组

研究人员通过多维测序技术获得了高质量的基因组参考序列。P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri的基因组大小分别为344.42 Mb、329.03 Mb和451.62 Mb，contig N50分别达到6.08 Mb、30.42 Mb和33.69 Mb。BUSCO完整性评估均超过98.5%，LAI指数表明组装质量达到参考基因组标准。基因注释结果显示，三个物种分别含有33,677、36,997和39,517个蛋白编码基因，转座子元件(TE)占比分别为57.39%、53.93%和62.62%，其中长末端重复反转录转座子(LTR-RT)为主要类型。

三个普亚果物种的特异性全基因组复制事件

系统进化分析表明，普亚果属与拟南芥(Arabidopsis thaliana)约在1511万年前分化，随后P. fendleri于536万年前与其他两种分离，而P. lindheimeri和P. pallida的分化时间约为339万年前。Ks值分析发现，除十字花科共有的WGD事件(Ks峰值0.92-0.95)外，普亚果属在分化后还经历了一次特异性WGD事件(Ks峰值0.42-0.43)，估计发生在1410-1446万年前。共线性分析显示，拟南芥与普亚果基因组存在1:4的对应关系，表明后者在分化后经历了两次连续的WGD事件。由于时间间隔较短，通过系统发育树拓扑结构难以区分这两次事件。

普亚果物种着丝粒区域的序列结构

研究首次报道了普亚果着丝粒的序列特征，发现其富含111-bp的卫星重复序列(CentPl、CentPp、CentPf)，三种物种间序列相似性高达94%-96%。着丝粒区域还特异性富集Gypsy/CRM和Copia/Ale两类反转录转座子，其中P. lindheimeri着丝粒区转座子拷贝数最高。尽管着丝粒区域存在蛋白编码基因，但表达水平普遍较低，可能与异染色质介导的转录抑制有关。

片段重复和串联重复基因

分析显示，P. fendleri的片段重复(SD)区域占比最高(38.76%)，这些区域内的基因主要富集在"DNA整合"和"DNA代谢过程"等通路。串联重复基因在三个物种中分别鉴定到1,446、1,872和1,718个集群，功能富集于"防御反应"和"应激响应"等类别。特别值得注意的是，NLR抗病基因中有39.52%-44.34%为串联重复基因，暗示这种复制机制在植物免疫系统进化中发挥重要作用。

关键基因的高表达驱动三个普亚果物种种子中羟基脂肪酸的积累

油脂成分分析显示，P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri种子中Lesquerolic酸(C_20:1-OH)占比分别为80.78%、84.56%和51.19%。转录组分析发现，HFA合成关键基因FAH12和KCS3在种子发育中后期显著高表达。同时，油脂合成通路中的SAD、LPAT、DGAT、PDAT等基因以及调控油脂积累的关键转录因子(ABI3、WRI1、FUS3、LEC1、LEC2)也呈现种子特异性高表达模式，共同驱动HFA的高效积累。

普亚果FAH12的活性受两个关键氨基酸显著影响

为解释P. fendleri的HFA含量显著偏低的现象，研究人员通过哺乳动物细胞表达系统比较了三种FAH12的酶活性。尽管PfFAH12的表达量最高，但其催化产生的蓖麻油酸(C_18:1-OH)量却显著低于PlFAH12和PpFAH12。序列比对和AlphaFold3结构预测发现，PfFAH12活性中心的H111和Q225位点与其他两种FAH12的Q111和H225不同。点突变实验证实，将PfFAH12的双位点突变为PfFAH12^H111Q/Q225H后，酶活性提高了2.5倍。转基因拟南芥实验进一步验证了PlFAH12和PpFAH12在植物体内能催化产生更多HFA。

该研究通过多组学整合分析，不仅提供了高质量的普亚果基因组资源，还从进化生物学和酶学角度揭示了HFA合成的调控机制。研究发现普亚果属在演化过程中经历了频繁的基因组复制事件，为基因功能分化提供了原材料。特别是FAH12关键氨基酸残基的变异决定了酶活性的种间差异，这一发现为作物品质改良提供了精准的分子靶点。研究还表明，尽管转基因作物中HFA积累仍面临多重障碍，但利用近缘物种的优良等位基因(如高活性FAH12变体)进行组合遗传改良，有望突破当前代谢工程的瓶颈。这三个HFA生产型普亚果物种的基因组，与已公布的甘蓝型油菜(Brassica napus)和亚麻荠(Camelina sativa)等仅积累普通脂肪酸的基因组资源形成鲜明对比，将为发掘有益基因、实现HFA在常规油料作物中的高效合成开辟新途径。