華中農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)現(xiàn)影響甜橙果實(shí)酸味的體細(xì)胞變異

 

　　6月17日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院徐強(qiáng)課題組發(fā)現(xiàn)了影響甜橙果實(shí)酸味的體細(xì)胞變異。相關(guān)研究論文以題為“Somatic variations led to the selection of acidic and acidless orange cultivars”發(fā)表在Nature Plants。

 

　　大多數(shù)果樹通過(guò)無(wú)性繁殖，基于體細(xì)胞變異的芽變育種成為果樹重要育種途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，柑橘家族60%的品種來(lái)源于芽變育種。甜橙在全世界114個(gè)國(guó)家栽培，絕大多數(shù)品種來(lái)源于體細(xì)胞變異。甜橙具有無(wú)融合生殖特點(diǎn)，自然條件下進(jìn)行嚴(yán)格的無(wú)性繁殖，成為體細(xì)胞變異研究的模式物種。體細(xì)胞變異來(lái)源于細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中DNA復(fù)制和修復(fù)產(chǎn)生的一定概率的突變。相比于有性變異，人們對(duì)植物體細(xì)胞變異認(rèn)識(shí)較少。在人類疾病中，體細(xì)胞變異的累積與癌癥發(fā)生密切相關(guān)。在果樹育種中，體細(xì)胞變異被廣泛利用于芽變選種。

 

　　檸檬酸是柑橘果實(shí)風(fēng)味的關(guān)鍵因子，團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)糖酸比是柑橘果實(shí)風(fēng)味的決定因子，柑橘馴化過(guò)程中主要降低了檸檬酸含量而改良了口感。該研究發(fā)現(xiàn)甜橙114個(gè)芽變材料的果實(shí)檸檬酸含量變化十分顯著，如我國(guó)湖南南部收集到的自然高酸甜橙材料，其果實(shí)酸的含量接近于檸檬；而無(wú)酸甜橙的檸檬酸含量接近為0。

 

　　為了解析甜橙體細(xì)胞變異的遺傳基礎(chǔ)，挖掘影響果實(shí)酸味的關(guān)鍵基因，該研究采用了芽變?nèi)后w結(jié)合基因組學(xué)的策略，提高了體細(xì)胞預(yù)測(cè)范圍和精準(zhǔn)度。研究團(tuán)隊(duì)首先組裝了甜橙雙單倍體（Double Haploid）及6個(gè)二倍體的基因組，構(gòu)建起迄今柑橘家族質(zhì)量最好的參考基因組，9條染色體平均每條染色體僅剩下3個(gè)缺口（gap）。利用高質(zhì)量基因組和豐富的芽變材料，該研究在114個(gè)甜橙中共鑒定到 2321個(gè)結(jié)構(gòu)變異（Structure variation），進(jìn)一步鑒定到877個(gè)轉(zhuǎn)座子跳躍事件。遺傳和基因功能研究表明，這些轉(zhuǎn)座子在低酸和無(wú)酸的突變體中插入到轉(zhuǎn)運(yùn)子（Transporter）基因或者其調(diào)控基因，從而影響了果實(shí)的pH值及檸檬酸含量。

 

　　甜橙在歷史上數(shù)次從中國(guó)經(jīng)過(guò)海上絲綢之路、陸地茶馬古道傳播到外地，據(jù)報(bào)道，最初被波斯（今伊朗地區(qū)）、地中海地區(qū)商人引入的中國(guó)甜橙是高酸類型，這類高酸的果實(shí)易于長(zhǎng)途儲(chǔ)運(yùn)但風(fēng)味不好。后來(lái)從中國(guó)引進(jìn)了酸含量中等、風(fēng)味更好的甜橙類型，并命名為China orange。本研究的遺傳變異也支撐甜橙在歷史上的傳播路線，并在地中海品種和美洲品種檢測(cè)到了更多的體細(xì)胞變異。本研究結(jié)果首次闡明、了甜橙體細(xì)胞變異的基因組基礎(chǔ)，為芽變機(jī)制提供了理論支撐，同時(shí)也為果實(shí)風(fēng)味育種提供了基因資源。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院博士后王淪、博士生黃躍和劉子昂為該論文的共同第一作者，徐強(qiáng)教授為論文的通訊作者，鄧秀新院士參與了項(xiàng)目的指導(dǎo)。西南大學(xué)柑橘研究所江東研究員、湖南農(nóng)科院園藝所楊水芝研究員、陳鵬助理研究員參與了研究。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金，中央高校基礎(chǔ)科研基金等基金的資助。

 

　　Abstract

 

　　Somatic variations are a major source of genetic diversification in asexual plants, and underpin clonal evolution and the breeding of asexual crops. Sweet orange is a model species for studying somatic variation because it reproduces asexually through apomixis and is propagated asexually through grafting. To dissect the genomic basis of somatic variation, we de novo assembled a reference genome of sweet orange with an average of three gaps per chromosome and a N50 contig of 24.2?Mb, as well as six diploid genomes of somatic mutants of sweet oranges. We then sequenced 114 somatic mutants with an average genome coverage of 41×。 Categorization of the somatic variations yielded insights into the single-nucleotide somatic mutations, structural variations and transposable element （TE） transpositions. We detected 877 TE insertions, and found TE insertions in the transporter or its regulatory genes associated with variation in fruit acidity. Comparative genomic analysis of sweet oranges from three diversity centres supported a dispersal from South China to the Mediterranean region and to the Americas. This study provides a global view on the somatic variations, the diversification and dispersal history of sweet orange and a set of candidate genes that will be useful for improving fruit taste and flavour.

 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-021-00941-x