【砂梨:請讀懂我複雜的基因組】梨是典型的自交不親和物種,基因組雜合程度高,用傳統雜交手段選育新品種的周期長、效率低。

2月18日,《自然—通訊》在線發表南京農業大學與美國康奈爾大學最新合作成果。該研究對312份砂梨品種資源進行全基因組關聯分析,揭示了梨的馴化和改良過程,並鑒定出調控梨果石細胞形成的新基因。論文傳送門:http://t.cn/A6tfuaeM

「新基因的發現證明,在一個雜合度較高的物種中,也可以通過全基因組關聯分析的手段尋找關鍵基因,我們的方法是可行的。」論文共同通訊作者、南京農業大學教授吳俊在接受《中國科學報》採訪時說,研究結果將為多年生果樹分子育種技術開發和複雜性狀的調控機制解析提供非常有價值的參考,幫助科學家讀懂雜合程度高的作物基因組。

圖1:PbrSTONE基因的瞬時過表達和沉默對梨幼果石細胞形成的影響 吳俊供圖

【砂梨:豐富的遺傳多樣性】

我國西南地區被認為是梨的起源地。我國不僅擁有豐富的梨品種資源,也是世界第一大梨生產國,栽培面積和產量均佔世界70%以上。

論文共同通訊作者、南京農業大學教授張紹鈴在接受《中國科學報》採訪時說,目前,我國生產上的主要栽培品種仍以傳統地方品種為主,無法滿足消費者對優質梨果的多樣化需求。而梨作為多年生果樹,不僅具有較長的童期,且表現典型的自交不親和性,亟待發展分子育種技術實現重要性狀的高效遺傳改良。

為了在梨的基因組中找到育種需要的控制重要性狀的遺傳位點或基因,科學家一般會採用群體遺傳研究的手段。

群體遺傳分析研究的對象是自然群體,也就是某一物種的不同群體。通過對這些不同群體進行基因組測序,從全基因組範圍內找到大量單核苷酸多態性標記,進而開展群體遺傳進化、系統發育、種質資源鑒定等分析。

論文共同通訊作者、美國康奈爾大學教授費章君告訴《中國科學報》,多樣性豐富的資源含有各種性狀差異的品種,因此基因組上相關區域也表現出差異。性狀差異以及遺傳上的差異是研究植物馴化、改良以及全基因組關聯分析的必要基礎。

「群體遺傳研究的自然群體越多、遺傳多樣性越大,其變異越多,品種之間性狀的差異越大,找到的單核苷酸多態性標記越多,能夠發現新的遺傳位點和基因的概率也就越大。因此,做群體遺傳研究要盡量以遺傳多樣性豐富的群體為對象。」論文共同第一作者張明月博士說。

全世界共有5個栽培梨品種,包括砂梨、白梨、秋子梨新疆梨和西洋梨。其中,砂梨是遺傳多樣性較為豐富的群體。

圖2:砂梨 吳俊供圖

張紹鈴介紹,砂梨起源於我國西南地區,目前是中國和東亞等國最重要的主栽品種。根據最新的《中國梨樹志》,北方地區普遍栽培的白梨亦是由砂梨演化而來,已歸入砂梨品種。所以砂梨是目前種植面積最大的梨栽培種。

同時,砂梨種質資源豐富,保留了比較完整的馴化和人工選擇痕迹,不僅有野生資源,還有地方資源和新選育品種,具有非常豐富的遺傳多樣性。這就是他們選擇砂梨作為研究對象的主要原因。

【梨的進化:現代人更關心品質】

該研究對312份砂梨品種自然群體進行全基因組遺傳變異解析,共獲得2.15T重測序數據,鑒定出340多萬個單核苷酸多態性。

圖3:312個砂梨種質的親緣關係和種群結構 吳俊供圖

吳俊告訴《中國科學報》說,通過對地方梨品種和人工選育品種的群體分析發現,梨果實的石細胞、糖、酸等性狀在馴化和改良過程中均受到了持續的選擇,而果實大小等性狀只在馴化過程中受到選擇。

費章君解釋道,梨的育種可分為馴化和改良兩個階段,其中,馴化是指從野生種到地方品種的過程,而改良是指從地方品種到現代栽培種的過程。

在馴化階段,果實明顯變大,因此果實大小受到選擇,從而影響基因組內跟果實大小相關的區域或基因;在改良階段,果實大小沒有什麼變化。而其它的性狀,如石細胞、糖、酸等在這兩個階段都發生了明顯變化。

「這也說明在梨的改良階段,人們對果實大小已經不是很關心,而主要是進一步提高果實的品質。」費章君說。

【如何在高雜合度水果中尋找關鍵基因】

張明月介紹,研究團隊進一步對梨果實單果重、色澤、石細胞等8個品質性狀和果實發育天數等3個物候期性狀開展全基因組關聯分析,共獲得42個關聯區間,其中包括已知功能基因,並與部分性狀的已知數量性狀位點的定位相吻合。

張紹鈴說,這也是首次成功地對梨這種雜合度較高的水果進行全基因組關聯分析。由於梨基因組雜合程度高,很多性狀都是複雜性狀,即由多基因控制的性狀,而且這些基因往往分佈在不同的染色體上,這就給尋找關鍵基因帶來了難度。

例如,在梨基因組中,與糖相關的基因大約有100多個,涉及到糖的轉化、合成、運輸、儲藏等,其中尚有很多不清楚分子機制。

「做全基因組關聯分析的主要目的是找出梨基因組中與這些重要果實性狀緊密關聯的位點,從而進一步鑒定出調控這些性狀的候選基因,為梨的分子育種以提高果實品質提供重要的信息,同時也可以幫助我們進一步理解重要的梨果實性狀的分子調控機理。」費章君說。

吳俊認為,通過挖掘功能基因,為梨育種的目標性狀改良提供重要的基因資源,也可以通過進一步篩選具有這些重要功能基因的親本進行雜交育種,培育更加優良的品種。

【調控石細胞的新基因】

通常,科學家關注的果實品質性狀包括顏色、甜度、酸度等,而石細胞是影響梨果實口感的一種特殊性狀。

植物中都含有木質素,通常存在於枝條中。張紹鈴介紹,梨的果實與別的水果不同,其細胞壁會慢慢積累木質素,當木質素沉澱過多,薄壁細胞就死亡了,它們聚合在一堆,讓人吃起來感覺粗糙,像石粒一樣,因而被稱為石細胞。

當果實中的石細胞含量較高時,會產生沙粒感,果實肉質比較粗。但這種木質素的存在又能促進胃腸蠕動和消化吸收。科學家希望果實中含有一定量的石細胞——既能保持健康有益的品質,又能帶來討人喜歡的口感。

費章君認為,降低果肉中石細胞含量應該是現在梨育種中的一個主要目標。

因此,該團隊重點研究了與石細胞有關的遺傳位點。

論文共同第一作者薛程博士介紹,他們開展了基因功能驗證,結合表型數據、轉錄組、系統進化關係等分析,鎖定了一個新基因——PbrSTONE。

通過梨果實的瞬時轉化體系和擬南芥的穩定轉化體系,他們證實,該基因可以調控梨果實石細胞和主要組分木質素的形成,並明確了其與木質素合成通路中關鍵基因PbrC3H存在互作關係,從而協同調控石細胞組分木質素的合成機制。

張紹鈴說,儘管過去人們在模式植物中研究過木質素相關基因,但新的基因提示,梨果實中存在特殊的基因和分子機制調控植物中木質素的合成。新基因的發現為創製新的優良種質,篩選優異親本進行雜交育種,改良梨品質奠定了基礎。

吳俊認為,發現這個新基因可以幫助我們進一步理解梨果實內石細胞生成的調控網路,同時為梨的現代分子育種提供直接信息,並且為以後運用新的生物技術改良梨的果實品質提供了直接的目標基因。http://t.cn/A6tIoHmA

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