2024年5月20日，北京大学现代农业研究院团队分别在
Nature Communications
和
Nature Plants
发表重要研究论文，分别
破译辣椒完整基因组和辣椒素合成通路进化机制和揭示植物核孔复合体作为基因表达调控的重要枢纽。
2024年5月20日，北京大学现代农业研究院
郭立
研究员团队与
何航
研究员团队合作在国际著名期刊
Nature Communications
上在线发表了题为“
Two telomere-to-telomere gapless genomes reveal insights into Capsicum evolution and capsaicinoid biosynthesis
”的研究论文。该研究通过组装两个端粒到端粒
（T2T）
无缺口辣椒基因组：一年生栽培辣椒
（
C. annuum
）
和不产辣椒素的野生辣椒
（
C. rhomboideum
）
，深入解析了辣椒着丝粒序列特征，发现独特的重复序列元件；基于分子钟估计了茄科中辣椒素合成通路的进化时间节点，并揭示了茄科植物中辣味形成和丧失的遗传基础。此外，研究还发现了辣椒素合成基因附近的染色质可及性区域导致辣椒素积累的组织特异性。
该研究丰富了我们对辣椒素生物合成通路的认识，完整的基因组资源也将加速辣椒精准分子育种、辣椒素合成生物学等核心技术研发，促进辣椒食用、观赏、药用价值的开发利用。
该研究采用最新的单分子测序技术
（HiFi 和超长ONT）
和 Hi-C等多种测序技术相结合策略，组装了
C. annuum
（3.10 Gb）
和
C. rhomboideum
（1.71 Gb）
两个T2T水平的辣椒基因组，实现所有染色体无缺口组装，显著改进了基因组注释。基因组质量评估表明两个基因组具有很高的碱基准确性和组装完整性。利用七碱基端粒重复序列鉴定到了一年生辣椒的24个端粒和野生辣椒的17个端粒。研究基于T2T基因组和借助CENH3 ChIP-seq数据完整鉴定了辣椒基因组的着丝粒位置和序列，发现其着丝粒缺少其他植物和人类基因组中广泛报道的卫星DNA序列，而被大量的
Gypsy
家族
（特别是CRM亚家族）
的反转录转座子LTR序列入侵。尽管功能保守，辣椒的着丝粒序列在染色体间和种间具有较低的序列相似性，表明其着丝粒的快速进化。
着丝粒是基因组中的暗物质，通常被认为是转录不活跃的异染色质区域。该研究惊讶地发现，辣椒着丝粒序列具有显著的转录活性，也存在TAD和loop等三维基因组结构，表明着丝粒区域的基因表达可能发挥着重要功能。
其次，为了研究辣椒素生物合成通路的进化历史，该研究重建了辣椒属系统发育进化树，发现辣椒素合成途径可能在大约13.4个百万年
（
C. rhomboideum
和
C. annuum/C. baccatum
分化）
和五百万年
（
C. baccatum
和
C. annuum
分化）
之间出现。该研究分析了辣椒素生物合成通路基因
（CBG）
在辣椒属植物的进化，发现在所有辣椒属植物中，无论是否产辣椒素，都含有不同数量的CBG基因。辣椒素合成酶
（CS）
是辣椒素生物合成的关键基因，仅在茄科作物中以串联重复的形式出现，一年生辣椒含有7个串联重复拷贝，而在野生辣椒中仅存在4个拷贝。CBG基因在辣椒果实中高度表达，而在不辣的植物如番茄、马铃薯、酸浆和野生辣椒中
CS
基因几乎不表达。序列比对显示，辣椒的
CS
基因
（
CS-1/CS-2
）
具有保守的编码序列和上下游调控区，而在不辣的辣椒和近缘茄科物种中编码区和调控区发生了明显的结构变异。
最后，研究利用多组学数据分析表明了辣椒中辣椒素生物合成基因组织特异性共调控的表观遗传学机制。研究发现在
CS-2
、转录因子
MYB31
和
MYB48
上游2kb内均检测到甲基化水平较低的胎座特异性开放染色质区域
（OCR）
，这表明
CS-2
可能是实现胎座特异性合成辣椒素的主要基因。CBG在辣椒基因组中并没有成簇，而是分散在不同染色体上。那么CBG基因是如何实现组织特异的协同表达呢？该研究结合胎座特异性的OCR和CBG上游序列的转录因子结合位点分析，鉴定到在多个CBG基因周围的OCR中发现了MYB等转录因子结合位点，表明转录因子
（如MYB31）
可能特异识别这些OCR区域内的顺式元件，实现在果实组织中协同调控CBG表达。
图4 辣椒素合成酶（
CS
）基因在“辣”和“不辣”茄科作物中的进化模型
综上，该研究首次公布了两个辣椒的T2T无缺口基因组。系统发育基因组学和多组学研究揭示了辣椒果实中辣椒属特有的和胎座组织特异性积累的辣椒素的进化机制。新的T2T基因组资源代表了作物基因组研究的一个里程碑，将加快提升辣椒功能基因组学研究和精确改良。
北京大学现代农业研究院
陈为凯
助理研究员、科研助理
王祥锋
、
孙杰
、
王欣蕊
与华南农业大学园艺学院
朱张生
副教授为论文共同第一作者，北京大学现代农业研究院
郭立
研究员和
何航
研究员为论文共同通讯作者。北京大学现代农业研究院、 清华-北大生命科学联合中心邓兴旺教授、北京大学现代农业研究院张兴平研究员和李博生研究员参与了该项工作。该研究得到了山东省泰山学者、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金和西藏自治区拉萨科技局重点项目的支持。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48643-0
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北京时间2024年5月21日17时， 北京大学现代农业研究院的
唐雨
研究员和美国加州大学伯克利分校的
谷杨楠
教授合作，在
Nature Plants
杂志在线发表了题为“
Proxiome assembly of the plant nuclear pore reveals an essential hub for gene expression regulation
”的研究论文。
研究人员通过邻近蛋白标记技术揭示了植物核孔复合体(NPC)作为一个多功能整合性的RNA代谢平台。该研究首次提供了较为全面的NPC邻近蛋白组学数据，并描绘了NPC附近的蛋白互作网络图谱，阐明了植物NPC的相分离特性。
越来越多的证据表明，NPC不仅是一个核质交换的通道，还参与其它重要的生理生化功能。例如，NPC多个的组分能够与染色质密切联系，参与调控基因组的组装和活性等 [1,2]；最新发现，NPC中央通道的核孔蛋白与HIV病毒外壳蛋白互作，从而参与病毒入侵过程 [3]。目前，已报导的研究主要聚焦NPC的结构，但关于NPC附近募集的调控因子以及它们之间的信号交流和调控机制的认知仍然存在很大的空白。
通过多组学综合分析，研究人员绘制了以植物NPC为核心、包含500多个特异蛋白的网络图谱，这些蛋白富集在NPC附近。在NPC核内一侧，涵盖了多种参与染色质重塑、转录调控和mRNA加工的分子机器；而在NPC胞质一侧，浓缩了参与mRNA输出、降解和蛋白质翻译等的调控因子（图1）。这项研究将NPC与中心法则紧密联系起来，暗示NPC高度参与对遗传信息的一系列调控过程。
图1：植物NPC的邻近蛋白网络图谱
此外，借助生化、细胞、蛋白结构建模等方法，研究人员进一步揭示了NPC作为一个超越货物运输的多功能分子装配体，通过相分离与其周边的调控因子密切互作，从而参与调控mRNA代谢的多个步骤（图2）。这些新发现为深入研究NPC以及其周边调控因子的功能提供了线索；也为后续探索动、植物NPC的功能提供了一定的理论依据。
图2：a,气泡图展示AlphaFold预测的NPC周围蛋白-蛋白互作的ipTM 值；b,NPC核心成员与其附近的调控因子之间的互作网络图；c,NPC附近调控因子具有相分离的特性；d,NPC核心成员可以与其附近的调控因子共表达并诱导凝聚体的形成。
北京大学现代农业研究院的
唐雨
研究员为该论文的第一作者，加州大学伯克利分校的
谷杨楠
教授为该论文的通讯作者。本研究得到了美国国自然、农业部国家食品和农业(USDA)和山东省泰山学者的资助。
