來源：中國科學(xué)報(bào)，澎湃新聞，CellPress細(xì)胞出版社
夢想有溫度，追求有情懷，成就才有厚度。2023年2月6日，由北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實(shí)驗(yàn)室何航、鄧興旺團(tuán)隊(duì)與武漢植物園鐘彩虹團(tuán)隊(duì)/李大衛(wèi)研究員合作的論文“Two haplotype-resolved, gap-free genome assemblies for Actinidia latifolia and Actinidia chinensis shed light on regulation mechanisms of vitamin C and sucrose metabolism in kiwifruit”，作為封面文章發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Molecular Plant上。封面呈現(xiàn)的是中秋之夜，中國古人品嘗獼猴桃的畫面，復(fù)現(xiàn)了唐代詩人岑參描繪的“中庭井闌上，一架獼猴桃”的閑適場景。
Abstract 摘要
Kiwifruit is a recently domesticated horticultural fruit crop with substantial economic and nutritional value, especially because of the high content of vitamin C in its fruit. In this study, we de novo assembled two telomere-to-telomere kiwifruit genomes from Actinidia chinensis var. ‘Donghong’ (DH) and Actinidia latifolia ‘Kuoye’ (KY), with total lengths of 608 327 852 and 640 561 626 bp for 29 chromosomes, respectively. With a burst of structural variants involving inversion, translocations, and duplications within 8.39 million years, the metabolite content of DH and KY exhibited differences in saccharides, lignans, and vitamins. A regulatory ERF098 transcription factor family has expanded in KY and Actinidia eriantha, both of which have ultra-high vitamin C content. With each assembly phased into two complete haplotypes, we identified allelic variations between two sets of haplotypes, leading to protein sequence variations in 26 494 and 27 773 gene loci and allele-specific expression of 4687 and 12 238 homozygous gene pairs. Synchronized metabolome and transcriptome changes during DH fruit development revealed the same dynamic patterns in expression levels and metabolite contents; free fatty acids and flavonols accumulated in the early stages, but sugar substances and amino acids accumulated in the late stages. The AcSWEET9b gene that exhibits allelic dominance was further identified to positively correlate with high sucrose content in fruit. Compared with wild varieties and other Actinidia species, AcSWEET9b promoters were selected in red-flesh kiwifruits that have increased fruit sucrose content, providing a possible explanation on why red-flesh kiwifruits are sweeter. Collectively, these two gap-free kiwifruit genomes provide a valuable genetic resource for investigating domestication mechanisms and genome-based breeding of kiwifruit.
Key words telomere-to-telomere allele-specific expression vitamin C sugar metabolism
在耕地面積有限的情況下，大幅提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)是保證糧食安全的必然途徑。隨著我國農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用，越來越多的物種進(jìn)入育種4.0即精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種時(shí)代。
作為我國重要的果業(yè)資源，獼猴桃產(chǎn)業(yè)也面臨著從高產(chǎn)量向高品質(zhì)的轉(zhuǎn)變。近日，中科院武漢植物園研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院合作，在獼猴桃高維生素C、糖酸及抗性性狀方面開展深入研究，為我國獼猴桃進(jìn)入精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種時(shí)代打下了基礎(chǔ)。相關(guān)成果相繼發(fā)表于《分子植物》和《新植物學(xué)家》。
獼猴桃原產(chǎn)國成為產(chǎn)業(yè)和科研大國
獼猴桃是一種具有重要營養(yǎng)價(jià)值的水果，因風(fēng)味甜美、富含維生素C而被稱為“維C之王”。新西蘭上世紀(jì)初開始了獼猴桃培育和種植，在獼猴桃科學(xué)研究和國際貿(mào)易中長期處于引領(lǐng)地位。
我國從上世紀(jì)70年代末開始零星種植獼猴桃，歷經(jīng)40年的發(fā)展，獼猴桃收獲面積和產(chǎn)量分別達(dá)到18.26萬公頃和219.67萬噸，均占世界總產(chǎn)量和栽種面積的一半以上。然而，我國獼猴桃研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展長期落后于新西蘭、意大利等獼猴桃科研、生產(chǎn)大國。
獼猴桃屬起源于中國，全屬共包含54個(gè)物種，其中52個(gè)主要分布于我國。但目前，獼猴桃基礎(chǔ)研究與分子育種主要受限于為數(shù)不多的可利用基因組資源——僅有中華獼猴桃和毛花獼猴桃發(fā)表了基因組，制約了我國獼猴桃基因組學(xué)研究與遺傳改良。
高質(zhì)量基因組解開多個(gè)未解之謎
研究團(tuán)隊(duì)選擇具有超高維生素C含量的闊葉獼猴桃，以及我國具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的中華獼猴桃優(yōu)良品種“東紅”作為研究對象，完成了兩個(gè)端粒至端粒無缺口獼猴桃基因組拼接，同時(shí)獲得了染色體級別的單倍型基因組。
▲中華獼猴桃與闊葉獼猴桃無缺口基因組圖譜
通過保守的單拷貝同源基因構(gòu)建物種進(jìn)化樹，研究人員推斷闊葉獼猴桃與中華獼猴桃的分歧時(shí)間大約在839萬年前。在此期間，有189個(gè)基因家族經(jīng)歷了顯著的基因倍增，而58個(gè)基因家族經(jīng)歷了基因丟失。這些基因家族的擴(kuò)張與收縮可能與獼猴桃科特有的性狀，如更高的維生素含量、更大的果實(shí)型號等相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，維生素合成途徑基因在不同獼猴桃物種中分布較為保守，但其表達(dá)模式在高維生素C含量材料（闊葉）和低維生素C含量材料（東紅）中不完全相同。
▲DH和KY的基因組組裝和注釋
為邁入精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種時(shí)代打基礎(chǔ)
研究人員發(fā)現(xiàn)，與闊葉獼猴桃相比，東紅獼猴桃具有明顯更高的甜度?？茖W(xué)家從東紅獼猴桃中鑒定出一個(gè)蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，具有與蔗糖（甜味相關(guān)）含量顯著相關(guān)的表達(dá)模式?？茖W(xué)家通過多種方法驗(yàn)證了該基因可能是紅心獼猴桃甜度增加的重要原因。
▲中科院武漢植物所選育的東紅獼猴桃，成為國內(nèi)近十年來種植面積增加最快的品種，沒有之一
此外，科學(xué)家系統(tǒng)鑒定了獼猴桃屬40余個(gè)物種的維生素C含量，發(fā)掘了獼猴桃維生素C合成的關(guān)鍵基因，揭示了調(diào)控獼猴桃維生素C合成的GBF3- MYBS1-GGP3分子模塊。這加深了人們對獼猴桃維生素C合成的生理和分子機(jī)制的理解，為高維生素C果蔬種質(zhì)創(chuàng)新提供了新的科學(xué)依據(jù)。
▲李大衛(wèi)研究員（左）與何航研究員（右）在宜昌調(diào)查野生獼猴桃
中科院武漢植物園研究員李大衛(wèi)向《中國科學(xué)報(bào)》介紹，這就好比建一座大樓，首先是打好打牢基礎(chǔ)，因此需要獼猴桃高質(zhì)量基因組，從中發(fā)掘具有重要功能的基因并闡明它們的功能，為獼猴桃精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種提供依據(jù)、打下基礎(chǔ)。目前在科學(xué)家的聯(lián)合推動(dòng)下，國產(chǎn)獼猴桃有望進(jìn)入精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種時(shí)代。
論文網(wǎng)址：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(22)00476-2
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