JIPB | 西南大學柑桔研究所與合作者為柑橘物種的起源和進化提供了新見解

近日，西南大學柑桔研究所聯(lián)合云南省農(nóng)業(yè)科學院熱帶亞熱帶經(jīng)濟作物研究所、福建農(nóng)林大學、山西農(nóng)業(yè)大學等單位在Journal of Integrative Plant Biology發(fā)表題為“Haplotype-resolved genome of a papeda provides insights into the geographical origin and evolution of Citrus”的研究論文，為柑橘物種的起源和進化提供了新的見解。

英文標題：Haplotype‐resolved genome of a papeda provides insights into the geographical origin and evolution of Citrus

發(fā)表期刊：Journal of Integrative Plant Biology

影響因子：9.3

合作單位：西南大學柑桔研究所等

百邁客生物為該研究提供了基因組測序及組裝等相關(guān)工作。

研究背景

柑橘是世界上種植最廣泛的水果之一，目前在140多個國家和地區(qū)種植。雖然過去的二十年里柑橘植物的種群結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性已被調(diào)查，但由于其豐富的資源類型和雜交頻繁，許多柑橘物種的起源和進化仍不清楚。野生柑橘物種和原始柑橘保存了豐富的遺傳資源和遺傳多樣性，可用于闡明柑橘物種的起源和進化。2015年，在西雙版納發(fā)現(xiàn)一棵200多年的野生柑橘樹大翼葉柑橘（DYC002），被認為是研究柑橘進化及苦味馴化的很好材料。

研究方法

DYC002單倍型基因組組裝：PacBio HiFi 180×；llumina 75×；HIC 134×

群體進化研究：378份具有代表性的材料進行全基因組重測序分析；平均測序深度32.6×

DYC002轉(zhuǎn)錄組測序：幼葉、莖、花、小果和根（3個生物學重復）

研究結(jié)果

作者利用53.7G PacBio HiFi、22.6G illumina reads和40.1G Hi-Creads，首先組裝出318.71 Mbp大小的contig版本基因組，contig N50為2.48 M，接著利用HIC數(shù)據(jù)將contig 掛載到染色體上，得到得到294 Mbp的基因組，BUSCO評估完整性大于98%，LTR組裝指數(shù)（LAI）得分高達21.1，測序數(shù)據(jù)回比率為97.43%，進一步支持了組裝的完整性。最后對DYC002基因組注釋，共注釋到34,652個蛋白編碼基因和215,693個重復序列。重復序列多為LTR，尤其是Gypsy LTR和Copia LTR，占組裝基因組的23.62%。比較基因組發(fā)現(xiàn)DYC002有191個基因家族正在快速進化。GO富集分析表明，這些快速進化的基因主要富集于萜烯合酶活性、倍半萜合酶活性、（4S）-檸檬烯合酶活性、(E)-檸檬烯合酶活性、葡萄糖苷酶活性和-葡萄糖苷酶活性等功能，表明DYC002在進化過程中香氣和風味發(fā)生了顯著變化。

利用CCS數(shù)據(jù)和HIC數(shù)據(jù)，作者組裝出DYC002的兩套單倍型基因組，長度分別為294和300 Mbp，注釋的基因數(shù)量分別為28000和27785個；BUSCO完整度分別為97.39%和97.33%。通過比較分析，兩單倍型基因組間存在175萬個SNPs，303,686個Indels，轉(zhuǎn)錄組分析表明，兩個單倍型中等位基因的表達高度一致。葉片中等位基因特異性表達基因（ASEGs）數(shù)量最高，而花中數(shù)量最低。在單倍型1和單倍型2的組裝中分別發(fā)現(xiàn)了535個和499個單倍型特異性基因。

為了說明柑橘物種的進化歷史，作者從378份具有代表性的柑橘材料中獲得了基因組重測序數(shù)據(jù)，利用核基因組SNPs進行的系統(tǒng)發(fā)育分析，除了莽山野柑，柑橘屬可分為兩個進化支，一支以寬皮柑橘、宜昌橙、香橙、甜橙等為代表，另一支包括大翼橙、澳指檬、澳沙檬、枸櫞、紅河大翼橙、柚、酸橙等。推測柑橘屬植物從起源中心朝東南亞和中國東部兩個方向進行演化和傳播。選擇性清除分析表明，苦味在柑橘馴化過程中具有較高的選擇，共鑒定出672個選擇性掃描區(qū)，一些參與類檸檬苦素和類黃酮生物合成的4-香豆酸-CoA連接酶、糖苷轉(zhuǎn)移酶受到選擇。

研究總結(jié)

高質(zhì)量基因組的發(fā)表對了解柑橘發(fā)揮重要作用。然而，由于其復雜的遺傳背景，許多柑橘物種的起源和進化仍不清楚。作者從頭組裝了DYC002的294mbp染色體水平的基因組，對兩個單倍型基因組比較，發(fā)現(xiàn)了1.2%的基因組內(nèi)變異，包括175 萬個SNPs，149,471個插入和154,215個缺失。以該基因組為參考，對378份具有代表性的柑橘材料進行了重測序和系統(tǒng)發(fā)育分析，作者研究柑橘屬可分為兩個進化支，證實了柑橘核心種的主要起源中心是華南地區(qū)，特別是喜馬拉雅-橫斷山脈。該研究為了解柑橘品種的起源和進化提供了新的視角，并可能為柑橘育種和改良提供有價值的基因組資源。