生姜(Zingiber officinale)是壹種極具價值的食藥兩用園藝作物， 既為傳統中藥的重要成分，又是重要的調味料 ，在我國有悠久的栽培歷史。中國生姜栽培面積、產量和出口量均居全球第壹位。長江中上遊生姜總面積226萬畝，占全國49.7%，是推動鄉村振興的優選產業。姜具有多年生宿根，根莖肉質、肥厚，內含多種營養成分，它除了含有蛋白質、碳水化合物、多種維生素和礦物質外，還含有姜辣素、姜油、姜醇等生物活性物質，具有調味、抗癌、抗真菌、抗炎癥、抗氧化和抗血小板聚集等用途，是香料家族和藥用植物家族的重要成員。姜辣素是生姜特有的呈味物質，也是生姜多種功能活性的主要功能因子，在調味品、化妝品和醫療保健等領域具有廣闊的應用前景。盡管姜在世界範圍內有顯著的經濟價值，但由於其有性繁殖困難，基因組龐大、雜合度高，相關的分子生物學和遺傳選育工作壹直停滯不前。此外，長久以來生姜基因組信息的缺乏，限制了我們對 合成調控機理的理解，導致生姜分子育種發展緩慢。
近日，Horticulture Research背靠背在線發表了兩個不同品種生姜基因組數據，分別是平頂山學院植物遺傳育種研究組與北京林業大學等單位合作的題為 《Haplotype-resolved genome assembly and allelespecific gene expression of cultivated ginger》 的研究論文，以及重慶文理學院與西南大學等單位合作的題為 《Haplotype-resolved genome of diploid ginger (Zingiberofficinale) and its unique gingerol biosynthetic pathway》 的研究論文。
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平頂山學院植物遺傳育種研究組等單位的研究解析了我國重要的傳統生姜品種單倍型基因組序列，揭示了單倍型基因組間差異，推斷了姜高度不育的基因組基礎，初步澄清了姜酚（姜辣素）生物合成通路，為後續的功能研究和分子設計育種奠定了重要基礎。
該研究以全國首個國家農產品地理標誌登記保護的生姜品種 張良姜 為研究對象。據記載，自漢代起“張良姜”已有2000多年的種植歷史，現保存在河南省平頂山市魯山縣張良鎮。此品種有“姜中之王”美稱，具有色澤深黃、辛辣芳香、氣濃味長、質實絲多、百煮不爛、久貯不腐等優良特性。
該研究利用先進的長讀長測序技術， 解析了“張良姜”單倍型基因組序列；檢測了兩個單倍型基因組間的遺傳差異，以此推斷出與姜高度配子敗育率相關的結構變異區；揭示出兩套基因組間等位基因表達差異可能與基因順式調控區、編碼區序列差異、轉座子的臨近效應以及選擇壓有關；利用基因***表達網絡分析，初步解析了姜酚（姜辣素）生物合成相關的基因調控機制。
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重慶文理學院等單位的研究破解了西南地區主栽品種 竹根姜 的基因組，利用短讀長(369.51 Gb)，長讀長PacBio(285.81 Gb)及Hi-C(563.16 Gb)策略組裝出竹根姜 兩套單倍型高質量基因組 ，單倍型的基因組大小分別為1.53 Gb (contig N50: 4.68 M)和1.51 Gb (contig N50：5.28 M)，98.11%的序列錨定到22條染色體（圖1）。PacBio 讀長在2個單倍型的overlap分別為 97.95%和98.1%，顯示了分型的準確性。 兩套單倍型的Ka/Ks分析揭示生姜馴化歷史過程中經歷了相似的選擇壓力。通過等位基因分析，總***55,635個基因（占所有基因的72%）在兩個單倍型中具有同源性。生姜17,226對等位基因中，11.9%在轉錄水平表現出染色體偏好性（圖2）。該研究發現生姜基因組雜合度3.6%，是目前已報道雜合度最高的植物基因組。重復序列高，其中長末端片段重復(long terminal repeats，LTRs)占61.06%，可能是導致其基因組大、雜合度高的主要原因，同時也是生姜基因組進化的主要驅動力。生姜等位基因在兩套單倍型中沒有展現出表達差異，17,226對等位基因中有2055對(11.9%)在轉錄水平表現出染色體偏好性。
通過整合基因組、轉錄組和代謝組數據進行整合分析，該研究構建了生姜特有成分姜辣素的合成通路，篩選出12個參與姜辣素合成的關鍵酶家族（PAL, C4H, 4CL, CST, C3′H, C3OMT, CCOMT, CSE, PKS,AOR, DHN, 和DHT），鑒定出38個可能調控姜辣素合成的重要轉錄因子家族，並繪制出姜辣素合成的分子調控網絡（圖3）。
作者簡介
Haplotype-resolved genome assembly and allelespecific gene expression of cultivated ginger
平頂山學院程世平副教授、北京林業大學博士生賈凱華（現山東省農業科學院工作）、博士生劉輝和張仁綱博士（源宜(山東)基因科技股份有限公司）為***同第壹作者。通訊作者是北京林業大學毛建豐副教授和比利時根特大學教授、比利時皇家科學院院士Yves Van de Peer。平頂山市農業科學院馬愛鋤博士、於從文研究員也參與了該項研究。該工作還包含來自瑞典於默奧大學、加拿大拉瓦爾大學、不列顛哥倫比亞大學、根特大學、比勒陀利亞大學和南京農業大學等單位的合作者。該研究得到河南省科技攻關以及平頂山學院高層次人才啟動基金等項目的資助。
Haplotype-resolvedgenome of diploid ginger (ingeiber officinale) and its unique gingerolbiosynthetic pathway
該工作由重慶文理學院牽頭，聯合長江大學、西南大學和華大基因***同完成。李洪雷教授、吳林副教授、董照明副教授、姜玉松教授和姜三傑博士為論文的***同第壹作者，劉奕清教授、夏慶友教授、簡建波博士和鄒勇副教授為論文的***同通訊作者。濟南市第二農科院李承勇研究員、李慶芝高級工程師等參與了該研究。該研究得到了重慶文理學院生姜基因組重大專項、重慶市自然科學基金等項目的支持。
文章鏈接：
Haplotype-resolved genome assembly and allelespecific gene expression of cultivated ginger
/articles/s41438-021-00599-8
Haplotype-resolved genome of diploid ginger (Zingiberofficinale) and its unique gingerol biosynthetic pathway
/articles/s41438-021-00627-7