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

 

　　大多數(shù)果樹通過無性繁殖，基于體細胞變異的芽變育種成為果樹重要育種途徑。據(jù)統(tǒng)計，柑橘家族60%的品種來源于芽變育種。甜橙在全世界114個國家栽培，絕大多數(shù)品種來源于體細胞變異。甜橙具有無融合生殖特點，自然條件下進行嚴格的無性繁殖，成為體細胞變異研究的模式物種。體細胞變異來源于細胞有絲分裂過程中DNA復制和修復產(chǎn)生的一定概率的突變。相比于有性變異，人們對植物體細胞變異認識較少。在人類疾病中，體細胞變異的累積與癌癥發(fā)生密切相關。在果樹育種中，體細胞變異被廣泛利用于芽變選種。

 

　　檸檬酸是柑橘果實風味的關鍵因子，團隊前期研究發(fā)現(xiàn)糖酸比是柑橘果實風味的決定因子，柑橘馴化過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個芽變材料的果實檸檬酸含量變化十分顯著，如我國湖南南部收集到的自然高酸甜橙材料，其果實酸的含量接近于檸檬；而無酸甜橙的檸檬酸含量接近為0。

 

　　為了解析甜橙體細胞變異的遺傳基礎，挖掘影響果實酸味的關鍵基因，該研究采用了芽變?nèi)后w結(jié)合基因組學的策略，提高了體細胞預測范圍和精準度。研究團隊首先組裝了甜橙雙單倍體（Double Haploid）及6個二倍體的基因組，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個甜橙中共鑒定到 2321個結(jié)構(gòu)變異（Structure variation），進一步鑒定到877個轉(zhuǎn)座子跳躍事件。遺傳和基因功能研究表明，這些轉(zhuǎn)座子在低酸和無酸的突變體中插入到轉(zhuǎn)運子（Transporter）基因或者其調(diào)控基因，從而影響了果實的pH值及檸檬酸含量。

 

　　甜橙在歷史上數(shù)次從中國經(jīng)過海上絲綢之路、陸地茶馬古道傳播到外地，據(jù)報道，最初被波斯（今伊朗地區(qū)）、地中海地區(qū)商人引入的中國甜橙是高酸類型，這類高酸的果實易于長途儲運但風味不好。后來從中國引進了酸含量中等、風味更好的甜橙類型，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到了更多的體細胞變異。本研究結(jié)果首次闡明、了甜橙體細胞變異的基因組基礎，為芽變機制提供了理論支撐，同時也為果實風味育種提供了基因資源。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院博士后王淪、博士生黃躍和劉子昂為該論文的共同第一作者，徐強教授為論文的通訊作者，鄧秀新院士參與了項目的指導。西南大學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。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金，中央高?；A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