A chromosome-level genome assembly for the astaxanthin-producing microalgae Haematococcus pluvialis
- 作者
- Chao Bian, Chenglong Liu, Guiying Zhang, Ming Tao, Danqiong Huang, Chaogang Wang, Sulin Lou, Hui Li, Qiong Shi, Zhangli Hu
- 杂志
- Scientific Data（2023）
- DOI
- 10.1038/s41597-023-02427-1
- 所属领域
- 基因组学
- 关键词
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解决的核心问题
为虾青素生产微藻 Haematococcus pluvialis 构建染色体级别的基因组组装，以解析虾青素生物合成的分子机制。
研究策略
利用 PacBio HiFi 长读长测序和 Hi-C 染色体构象捕获测序进行染色体级别基因组组装，并结合转录组分析、比较基因组学及系统发育分析。
核心内容
本研究利用PacBio HiFi长读长测序和Hi-C染色体构象捕获技术，构建了虾青素生产微藻Haematococcus pluvialis的首个染色体级别基因组组装，并结合转录组分析、比较基因组学及系统发育分析解析虾青素生物合成的分子机制。该基因组大小为316.0 Mb，包含32条染色体，scaffold N50为942.6 kb，预测了32,416个蛋白编码基因，BUSCO完整性达93.4%。比较基因组学显示H. pluvialis与莱茵衣藻分化于约520.4百万年前，并鉴定出4,592个扩张和26,300个收缩的基因家族。在虾青素合成通路中，研究鉴定到5个BKT基因，其中BKT1-3在Chr26上串联重复，此外还有8个CHYB、3个PSY、3个ZDS1、2个LCYB和1个PDS基因；转录组分析显示BKT基因在胁迫条件下上调，其中BKT3转录水平最高。该藻每千克干重可产超过40 g虾青素，多拷贝的虾青素合成基因特别是串联重复的BKT基因可能是其高效合成虾青素的关键因素。这一基因组资源为深入理解虾青素高产机制和遗传改良奠定了基础。
创新点
首次获得 H. pluvialis 染色体级别基因组；发现五个 BKT 基因及其串联重复，为阐明虾青素高产机制提供基因组资源。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成 | BKT | β-胡萝卜素酮醇酶 (beta-carotene ketolase) | 催化 | 5个拷贝，分布在 Chr10、Chr26 和 scaffold206；其中 BKT1-3 在 Chr26 上串联重复 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成 | CHYB | β-胡萝卜素羟化酶 (beta-carotenoid hydroxylase) | 催化 | 8个拷贝，分布在 Chr13、Chr25 等染色体 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合成酶 (phytoene synthase) | 催化 | 3个拷贝，位于 Chr29 和 Chr30 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成 | ZDS1 | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 1 (zeta-carotene desaturase 1) | 催化 | 3个拷贝，位于 Chr8 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成 | LCYB | 番茄红素β-环化酶 (lycopene beta-cyclase) | 催化 | 2个拷贝，位于 Chr19 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱饱和酶 (phytoene desaturase) | 催化 | 1个拷贝 |
关键发现
- 构建了首个染色体级别的 H. pluvialis 基因组，基因组大小为
- 0 Mb，含 32 条染色体，scaffold N50 为
- 6 kb，contig N50 为
- 8 kb。预测了 32,416 个蛋白编码基因，BUSCO 完整性为
- 4%。通过比较基因组学发现 H. pluvialis 与莱茵衣藻分化于
- 4 百万年前，并鉴定出 4,592 个扩张基因家族和 26,300 个收缩基因家族。在虾青素生物合成相关基因方面，鉴定到 5 个 BKT 基因（其中 BKT1-3 在 Chr26 上串联重复）、8 个 CHYB、3 个 PSY、3 个 ZDS1、2 个 LCYB 和 1 个 PDS 基因。转录组分析显示部分 BKT 基因在胁迫下上调，其中 BKT3 转录水平最高。此外，H. pluvialis 每千克干重可产超过 40 g 虾青素。
研究结论
本研究报道了首个染色体级别的 H. pluvialis 基因组图谱，为深入理解该藻虾青素高产的分子机制和遗传改良提供了宝贵的基因组资源。鉴定的多拷贝虾青素合成基因，特别是串联重复的 BKT 基因，可能是其高效合成虾青素的关键因素。