湖北农科院中药材所构建黄连楚连1号高质量基因组——Hortic Research发表并揭示CcHAB1抗病分子机制
黄连基因组高质量组装及抗病机制研究，属农业科技重大突破，但发布已超一周，时效性低。
湖北省农业科学院中药材研究所黄连基因组学研究团队在Horticulture Research发表题为Chromosome-scale assembly of the elite Coptis chinensis cultivar Chulan No.1 and decoding of fine clonal variations using geospatial-genomic machine learning to facilitate medicinal plant breeding的研究论文。研究团队以自己育成的优良黄连栽培品种楚连1号为研究材料,利用PacBio HiFi长读长测序与Hi-C染色体构象捕获技术,成功破解黄连基因组组装难题,首次构建染色体级别的高质量黄连参考基因组,基因组总大小约983 Mb,包含9条假染色体,共注释48,954个蛋白编码基因。进化分析表明黄连在进化过程中经历两次全基因组复制事件,生物碱合成通路基因在近期黄连特有的复制事件中保留率达58.6%,显著高于基因组整体保留率21.2%,表明全基因组复制特异性地促进黄连药用成分合成能力进化,研究为黄连分子育种与功能基因研究提供了重要基础。
研究团队以自己育成的优良黄连栽培品种“楚连1号”为研究材料，利用PacBio HiFi长读长测序与Hi-C染色体构象捕获技术，成功破解了黄连基因组组装难题，首次构建了染色体级别的高质量黄连参考基因组。基因组总大小约为983 Mb，包含9条假染色体，共注释到48,954个蛋白编码基因。进化分析表明，黄连在进化过程中经历了两次全基因组复制事件：一次古老的毛茛目共有复制事件（WGD-2）和一次近期黄连特有的复制事件（WGD-1，约300万年前）。值得注意的是，生物碱合成通路基因在WGD-1事件中的保留率（58.6%）显著高于基因组整体保留率（21.2%），表明全基因组复制特异性地促进黄连药用成分合成能力的进化。
图1 “楚莲 1 号”基因组结构与进化历程的整合分析通过整合235份黄连种质资源的重测序数据和地理分布信息，研究团队创新性地应用地理空间-基因组机器学习方法，成功识别出三个地理生态群（POP-I、POP-II、POP-III），这些群体无法通过传统群体遗传学方法区分。全基因组关联分析（GWAS）在1号染色体末端鉴定到与叶面光泽性状显著关联的基因CcHAB1。进一步研究发现，CcHAB1通过调控ABA信号通路，影响下游SnRK2 激酶活性，进而调控角质层蜡质合成相关基因（如WSD1）的表达，最终促进蜡质积累并增强抗病性。本研究首次构建了ABA-CcHAB1-SnRK2-WSD1 这一激素响应与抗病性状直接偶联的调控模型。图2 黄连叶片光泽相关性状的全基因组关联分析及功能验证本研究在理论上深化了对遗传同质化作物性状维持机制的认识，从基因组进化层面证明了全基因组复制事件不仅带来基因组冗余，更通过基因的特异性保留和表达分化，在药用成分合成通路上产生了进化优势，为理解药用植物次生代谢通路进化提供了理论依据；完善了黄连抗病性状的分子调控网络。本研究首次在转录调控层面阐明了植物激素（ABA）通过 HAB1-SnRK2 信号模块调控角质层蜡质合成的机制，为植物抗逆性状的激素调控理论补充了关键一环；为黄连比较基因组学和进化研究提供了重要参考。高质量染色体级别基因组为后续研究黄连物种分化、多倍化事件以及基因组结构与功能的关系提供了重要的参考基准。同时鉴定出的关键基因 CcHAB1 和相关调控元件，可以作为分子标记辅助育种或基因编辑育种的有效靶点，用于定向筛选或创制高抗病性的黄连新种质。湖北省农业科学院中药材研究所郭杰研究员和游锦茂副研究员为论文共同通讯作者，博士后余凯迪和杨钰莹为论文共同第一作者。本研究得到湖北省种业高质量发展支撑项目（HBZY2023B00506）、湖北省自然科学基金（2025AFD152）、湖北省博士后项目（2024HBBHCXB005）的资助。