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我校發現影響甜橙果實酸味的體細胞變異

核心提示: 6月17日,我校園藝林學學院徐強課題組發現了影響甜橙果實酸味的體細胞變異。相關研究論文發表在Nature Plants。

Figure 1 甜橙芽變(體細胞變異)羣體的表型

Figure 1 甜橙芽變(體細胞變異)羣體的表型

Figure 2 甜橙羣體果實檸檬酸含量的分化(a)、其遺傳基礎(b)以及可能的傳播路線(c)

Figure 2 甜橙羣體果實檸檬酸含量的分化(a)、其遺傳基礎(b)以及可能的傳播路線(c)

南湖新聞網訊(通訊員 王淪)6月17日,我校園藝林學學院徐強課題組發現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”發表Nature Plants。

大多數果樹通過無性繁殖,基於體細胞變異的芽變育種成為果樹重要育種途徑。據統計,柑橘家族60%的品種來源於芽變育種。甜橙在全世界114個國家栽培,絕大多數品種來源於體細胞變異。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。體細胞變異來源於細胞有絲分裂過程中DNA複製和修復產生的一定概率的突變。相比於有性變異,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症發生密切相關。在果樹育種中,體細胞變異被廣泛利用於芽變選種。

檸檬酸是柑橘果實風味的關鍵因子,團隊前期研究發現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。該研究發現甜橙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於檸檬;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,該研究採用了芽變羣體結合基因組學的策略,提高了體細胞預測範圍和精準度。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,構建起迄今柑橘家族質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)。利用高質量基因組和豐富的芽變材料,該研究在114個甜橙中共鑑定到 2321個結構變異(Structure variation),進一步鑑定到877個轉座子跳躍事件。遺傳和基因功能研究表明,這些轉座子在低酸和無酸的突變體中插入到轉運子(Transporter)基因或者其調控基因,從而影響了果實的pH值及檸檬酸含量。

甜橙在歷史上數次從中國經過海上絲綢之路、陸地茶馬古道傳播到外地,據報道,最初被波斯(今伊朗地區)、地中海地區商人引入的中國甜橙是高酸類型,這類高酸的果實易於長途儲運但風味不好。後來從中國引進了酸含量中等、風味更好的甜橙類型,並命名為China orange。本研究的遺傳變異也支撐甜橙在歷史上的傳播路線,並在地中海品種和美洲品種檢測到了更多的體細胞變異。本研究結果首次闡明瞭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。

我校園藝林學學院博士後王淪、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計劃,國家自然科學基金,中央高校基礎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://www.nature.com/articles/s41477-021-00941-x

審核人 徐強

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責任編輯:蔣朝常 袁陽宇