科学家对大部分红紫苏的基因组进行测序和注释

日本的研究人员已经生成了红紫苏 (Perilla frutescens) 的高质量基因组组装，这是一种在亚洲最常见的植物，在日本通常被称为 Aka-Shiso，在英国和美国因其深红色而被称为牛排植物树叶。高质量的基因组组装将使科学家能够利用植物丰富的潜在有用的生物活性化学物质，其中包括紫苏醛和迷迭香酸。

一些 P. frutescens 的生物活性化学物质被认为具有药用特性。迷迭香酸已被广泛用作补充剂，声称具有抗炎、抗抑郁、抗真菌和抗菌等特性，仅举几例。紫苏醛在这些用途上显示出类似的潜力，并且有一些医学证据支持这些用途，尽管植物化学补充剂市场仍然大部分不受监管。

由广岛大学生命综合科学研究科教授 Hidemasa Bono 领导的研究小组最近发表了他们的研究结果。根据该论文的作者，高质量的基因组组装现在可以作为选择 P. frutescens 基因组编辑目标基因的参考。

该研究小组的研究结果于 2022 年 11 月 16 日发表在DNA Research上。

研究人员选择了 P. frutescens，它是薄荷科唇形科的一员，因为它因其异常广泛的生物活性植物化学物质而被广泛认为是一种重要的草本植物。已经在植物中鉴定出几种用于化合物迷迭香酸和紫苏醛的生物合成的酶。

“为提供更好的性状而对红紫苏进行基因组编辑是更有效地利用这种植物的一种有前途的方法，”Bono 说。“要做到这一点，目标物种的高质量基因组序列是必要的。”

CRISPR-Cas9 等基因组编辑工具已被用于设计植物中的生物合成途径，有效地招募植物来生产制造新药和现有药物所需的化合物。研究作者引用了另一个最近的靶向基因编辑例子，即番茄果实，它可以通过这种方式被招募来产生 GABA(γ-氨基丁酸)。

研究人员使用了 Hoko-3，一种特殊的 P. frutescens 菌株。本研究中提供的数据表明，Hoko-3 在植物与植物之间具有高度遗传相似性，部分原因是它是一种自花授粉作物，使其成为靶向基因编辑的理想候选者。使用 Genomic-tip 套件从水培法生长的幼叶中提取遗传物质。他们多次使用 PacBio 的 Sequel IIe 测序仪对 DNA 进行测序，共识构建软件帮助他们以非常高的分辨率生成连续序列。

“我们使用 PacBio HiFi 读取实现了日本驯化的红紫苏的高度连续基因组组装，”第一作者 Keita Tamura 说。“我们将 99.2% 的组装锚定到 20 条假染色体中，其中 7 条假染色体由一个连续片段组成。使用为植物开发的系统功能注释工作流程称为‘Fanflow4Plants’，我们对 76,825 个蛋白质编码基因中的 72,983 个基因进行了功能注释。”

为了注释基因组装配中的基因，使用了两个互补的过程，每个过程在测序方面都具有独特的优势，并将数据组合在一起。“本研究通过结合两个循证注释和基因预测方法(BRAKER2)注释的基因模型数量为86,258个，几乎是之前组装的P. frutescens基因组(43,527个基因)的两倍，接近基因数量在另一种唇形科四倍体物种 Salvia splendens(88,489 个基因)中有报道，”Tamura 和他的合著者写道。

既然研究人员拥有了 Hoko-3 的高质量基因组组装，他们就可以继续下一步以释放植物的独特潜力。

“在这项研究中获得的基因组组装和功能注释将用于挖掘红紫苏基因组编辑的目标基因，”Tamura 说。“有可能增加植物内有价值的植物化学物质的积累。”

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