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文竹(Asparagus setaceus)是天门冬属的雌雄同株草本植物，为一种重要的观赏园艺植物，对该物种的研究尤其是分子水平上的研究极其匮乏。作为重要经济作物雌雄异株植物石刁柏(Asparagus officinalis)的近缘种，对文竹基因组序列的解析不仅为其自身在分子和遗传上的研究奠定基础，而且还可进一步加深对文竹和石刁柏乃至天门冬属比较基因组学的研究。因此，本研究结合了不同的测序和组装策略重头组装了文竹的核基因组和叶绿体基因组序列，并对基因组进行了全面的注释和进化分析，最后使用荧光原位杂交技术进行文竹和石刁柏的细胞遗传学比较分析。主要研究结果如下：
1.为了方便对文竹基因组特征和进化的研究，我们构建了文竹的染色体水平的参考基因组。采用Nanopore三代测序平台共产生112.52Gb的长reads序列，根据该物种的预测基因组大小720Mb，测序覆盖度为156.28×，通过序列组装、Illumina-shortreads进行校正，以及10×Genomicslinkedreads和Hi-C等数据的分析，我们组装了高质量的文竹基因组，大小为710.15Mb，占预测基因组大小的98.63%。其中96.85%的序列锚定于10个极大的scaffolds，对应于10条染色体。我们在文竹的基因组中共预测有28,410个基因，其中有25,649(90.28%)个基因进行了功能注释。重复序列占整个基因组的65.59%，主要是长末端重复序列(占整个基因组的42.51%)。进化分析表明，文竹及其近缘种石刁柏是在约9.66百万年前(million years ago，MYA)开始分化的，文竹经历了两轮全基因组复制(whole genome duplication，WGD)事件。此外，在文竹中还检测到762个特异基因家族、96个阳性选择基因和76个抗性R基因，并进行了功能预测。
2.我们利用三代高通量测序的结果，以石刁柏叶绿体基因组为参考，组装了完整的文竹叶绿体基因组，并对其进行注释。文竹叶绿体总长度为156,978bp，包含一个85,311bp的长单拷贝区域(large single copy region，LSC)，一个18,641bp的短单拷贝区域(small single copy region，SSC)，和一对长度为26,513bp的反向重复区域(inverted repeat region，IR)。共注释得到132个基因，其中包括38个转运RNA，6个核糖体RNA，88个蛋白编码基因。根据叶绿体全序列的进化分析表明，文竹叶绿体基因组与其他两种天门冬属植物石刁柏和龙须菜(Asparagus schoberioides)叶绿体基因组聚在一起，且与百合科其他植物叶绿体基因组具有较近的亲缘关系。
3.我们利用生物信息学的方法对文竹中的核质体DNA(nuclear integrants of plastid DNA)NUPTs进行了分析。结果表明在文竹核基因组中共有1,232个NUPT序列的插入，总长度为467,208bp，占核基因组的0.066%。对NUPTs的长度分布和染色体上的分布分析表明，大约68.8%的NUPT的大小在299bp之下，在100-199bp之间的NUPTs的数量最多为374个，超过1000bp的NUPT有89个，其中最长插入片段长度为12,114bp，位于组装的2号染色体上。NUPT在每条染色体上均有分布，1号染色体的NUPTs插入数量最多，为195个，而5号染色体上插入的NUPTs总长度最长，为997bp/100Mb。NUPT在染色体上的分布是不均匀的，在1号和5号染色体上存在一些热点区域。对叶绿体基因组来源分析发现，来自LSC、IR和SSC的NUPTs的插入密度分别为8个/kb、14个/kb和8个/kb，说明来自IR区域的NUPTs序列更频繁地转移到核基因组中。
4.为了进一步研究文竹和石刁柏之间的进化关系，我们利用荧光原位杂交技术使用石刁柏基因组的单染色体特异探针，对文竹的有丝分裂中期和间期染色体进行定位。结果如下：在10个石刁柏单染色体特异探针中，其中7个可以特异的定位于文竹的染色体上，且信号清晰、稳定。对文竹和石刁柏的杂交结果进行比较可得：文竹核型的第1、3、4、5、7、8、9对染色体分别对应着石刁柏核型的第4、5、2、3、8、7、10对染色体。这一结果不仅可以使我们在细胞学上区分文竹染色体建立标准核型，而且可以为将来在石刁柏性染色体演化、天门冬属物种的进化、染色体重排等细胞遗传学方面的研究奠定基础。
1.为了方便对文竹基因组特征和进化的研究，我们构建了文竹的染色体水平的参考基因组。采用Nanopore三代测序平台共产生112.52Gb的长reads序列，根据该物种的预测基因组大小720Mb，测序覆盖度为156.28×，通过序列组装、Illumina-shortreads进行校正，以及10×Genomicslinkedreads和Hi-C等数据的分析，我们组装了高质量的文竹基因组，大小为710.15Mb，占预测基因组大小的98.63%。其中96.85%的序列锚定于10个极大的scaffolds，对应于10条染色体。我们在文竹的基因组中共预测有28,410个基因，其中有25,649(90.28%)个基因进行了功能注释。重复序列占整个基因组的65.59%，主要是长末端重复序列(占整个基因组的42.51%)。进化分析表明，文竹及其近缘种石刁柏是在约9.66百万年前(million years ago，MYA)开始分化的，文竹经历了两轮全基因组复制(whole genome duplication，WGD)事件。此外，在文竹中还检测到762个特异基因家族、96个阳性选择基因和76个抗性R基因，并进行了功能预测。
2.我们利用三代高通量测序的结果，以石刁柏叶绿体基因组为参考，组装了完整的文竹叶绿体基因组，并对其进行注释。文竹叶绿体总长度为156,978bp，包含一个85,311bp的长单拷贝区域(large single copy region，LSC)，一个18,641bp的短单拷贝区域(small single copy region，SSC)，和一对长度为26,513bp的反向重复区域(inverted repeat region，IR)。共注释得到132个基因，其中包括38个转运RNA，6个核糖体RNA，88个蛋白编码基因。根据叶绿体全序列的进化分析表明，文竹叶绿体基因组与其他两种天门冬属植物石刁柏和龙须菜(Asparagus schoberioides)叶绿体基因组聚在一起，且与百合科其他植物叶绿体基因组具有较近的亲缘关系。
3.我们利用生物信息学的方法对文竹中的核质体DNA(nuclear integrants of plastid DNA)NUPTs进行了分析。结果表明在文竹核基因组中共有1,232个NUPT序列的插入，总长度为467,208bp，占核基因组的0.066%。对NUPTs的长度分布和染色体上的分布分析表明，大约68.8%的NUPT的大小在299bp之下，在100-199bp之间的NUPTs的数量最多为374个，超过1000bp的NUPT有89个，其中最长插入片段长度为12,114bp，位于组装的2号染色体上。NUPT在每条染色体上均有分布，1号染色体的NUPTs插入数量最多，为195个，而5号染色体上插入的NUPTs总长度最长，为997bp/100Mb。NUPT在染色体上的分布是不均匀的，在1号和5号染色体上存在一些热点区域。对叶绿体基因组来源分析发现，来自LSC、IR和SSC的NUPTs的插入密度分别为8个/kb、14个/kb和8个/kb，说明来自IR区域的NUPTs序列更频繁地转移到核基因组中。
4.为了进一步研究文竹和石刁柏之间的进化关系，我们利用荧光原位杂交技术使用石刁柏基因组的单染色体特异探针，对文竹的有丝分裂中期和间期染色体进行定位。结果如下：在10个石刁柏单染色体特异探针中，其中7个可以特异的定位于文竹的染色体上，且信号清晰、稳定。对文竹和石刁柏的杂交结果进行比较可得：文竹核型的第1、3、4、5、7、8、9对染色体分别对应着石刁柏核型的第4、5、2、3、8、7、10对染色体。这一结果不仅可以使我们在细胞学上区分文竹染色体建立标准核型，而且可以为将来在石刁柏性染色体演化、天门冬属物种的进化、染色体重排等细胞遗传学方面的研究奠定基础。