猕猴桃育种4.0开启！何航-邓兴旺团队成功构建两个猕猴桃物种T2T基因组图谱
2023-01-02
在我国耕地面积有限的情况下，大幅提高农作物产量和品质是满足农业安全和发展农业经济的必然途径。随着农业大数据与现代生物技术的应用，越来越多的物种进入育种4.0即精准设计育种时代，其中代表性标志之一即为T2T（端粒至端粒）完整基因组及T2T泛基因组的解析。继2022年6月首次破解西瓜T2T无缺口基因组之后，2022年12月31日，北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室何航、邓兴旺团队与武汉植物园合作，在Molecular Plant杂志在线发表了题为“Two haplotype-resolved, gap-free genome assemblies of Actinidia latifolia and Actinidia chinensis shed light on regulation mechanisms of vitamin C and sucrose metabolism in kiwifruit”的研究论文，报道了阔叶猕猴桃与中华猕猴桃T2T无缺口基因组图谱，整合基因组、转录组、代谢组多组学分析深入挖掘猕猴桃果实品质调控基因，为猕猴桃功能基因与分子育种研究提供了重要资源。
中华猕猴桃与阔叶猕猴桃无缺口基因组图谱
猕猴桃是一种具有极高食用价值的水果，因其富含维生素C、有机酸、矿物质而被称为“水果之王”。据统计2019年度，中国猕猴桃收获面积和产量分别达到18.26万公顷和219.67万吨，均占世界总产量和栽种面积的一半以上。猕猴桃属（Actinidia）起源于中国，全属共包含54个物种，其中52个主要分布于我国。虽然我国猕猴桃文字记载的历史千年有余，但育种研究和产业发展都长期落后于新西兰、意大利等猕猴桃科研、生产大国。目前猕猴桃基础研究与分子育种主要受限于为数不多的可利用种质资源，仅有中华猕猴桃和毛花猕猴桃发表了基因组，严重制约了猕猴桃基因组学研究与遗传改良。
研究团队选择了具有超高维生素C含量的阔叶猕猴桃，以及我国具有独立知识产权的中华猕猴桃优良品种“东红”作为研究对象，通过整合深度测序的PacBio HiFi, Hi-C, ONT数据，完成了两个端粒至端粒无缺口猕猴桃基因组拼接，同时获得了染色体级别的单倍型基因组。通过保守的单拷贝同源基因构建物种进化树，推断了阔叶猕猴桃与中华猕猴桃的分歧时间在大约839万年前。在此期间，有189 个基因家族经历了显著的基因倍增，而58个基因家族经历了基因丢失。这些基因家族的扩张与收缩可能与猕猴桃科特有的性状，如更高的维生素含量、更大的果实型号等相关。研究发现，维生素合成途径基因在不同猕猴桃物种中分布较为保守，但其表达模式在高维生素C含量材料（阔叶）和低维生素C含量材料（东红）中不完全相同。
与阔叶猕猴桃相比，东红猕猴桃具有显著更高的甜度。通过对开花后30天、60天、95天和135天的果实进行广泛靶向代谢组与转录组测序，发现在果实发育后期高含量的代谢物中富集糖醇类代谢物。经过与转录组相互关联，鉴定出一个蔗糖转运蛋白基因AcSWEET9b，具有与蔗糖的含量显著相关的表达模式。对该基因分别进行过表达和基因沉默，发现过表达材料相对野生型的蔗糖含量显著升高，相反基因沉默材料相对于野生型蔗糖含量显著下降。通过对红心中华猕猴桃类群、野生中华猕猴桃类群、和野生猕猴桃物种类群中AcSWEET9b基因序列及果实蔗糖含量进行比较分析，发现该基因启动子区域差异较大，且在甜度更高的红心猕猴桃类群中启动子单倍型被固定下来。因此，AcSWEET9b启动子区域在红心猕猴桃驯化过程中被人工选择，可能是红心猕猴桃甜度增加的重要原因。 值得注意的是，随着新的三代测序技术与拼接算法的发展，植物中的T2T无缺口基因组成为新的参考基因组标准。北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室在该领域的西瓜、水稻、拟南芥、猕猴桃等物种中均报道了这一标准的参考基因组，代表了该单位在基于农业大数据的育种4.0方向的领先地位。 北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室博士后韩雪、北京大学博士生张宜林，中科院武汉植物园张琼副研究员为论文共同第一作者；何航研究员、李大卫副研究员和邓兴旺院士为共同通讯作者；北京大学博士生马妮、武汉植物园博士后刘晓莹、厦门大学硕士生陶文静、北京大学现代农业研究院科研助理娄志英及武汉植物园钟彩虹研究员为该研究做出了重要贡献。研究得到了山东省自然科学基金、山东省科技创新项目、北京大学现代农业研究院院长基金、北京大学博雅博士后项目支持。 原文链接： https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.12.022