2024-11-22
與植(zhi)物基(ji)因組(zu)de novo測序相(xiang)關的多(duo)組(zu)學(xue)聯合分析再添高(gao)分文章(zhang)啦~
近日，上海交通大學在《Horticulture Research》期(qi)刊發(fa)表新研(yan)究(jiu)成果(guo)(guo)！中國櫻桃（Prunus pseudocerasus），作(zuo)(zuo)為(wei)果(guo)(guo)樹中重要的(de)核果(guo)(guo)作(zuo)(zuo)物(wu)，其果(guo)(guo)實硬度(du)直接影(ying)響著品質(zhi)和(he)市場競(jing)爭力。近日，一項突破性的(de)研(yan)究(jiu)通(tong)過組(zu)(zu)裝單體(ti)型基(ji)因組(zu)(zu)，為(wei)解(jie)析(xi)中國櫻桃果(guo)(guo)實硬度(du)的(de)作(zuo)(zuo)用機理(li)提供了(le)新的(de)見解(jie)。這項研(yan)究(jiu)不(bu)僅(jin)為(wei)育種工作(zuo)(zuo)帶來(lai)(lai)了(le)新的(de)方向，也(ye)為(wei)未來(lai)(lai)的(de)農業(ye)發(fa)展開(kai)辟了(le)新的(de)道路。
本研究的單體型基(ji)因組組裝(zhuang)和比較基(ji)因組分(fen)析(xi)由上海派(pai)森諾生(sheng)物科技股(gu)份(fen)有限公司完成。
PART/01、研究背(bei)景
中(zhong)國(guo)櫻桃，又稱酸櫻桃或山櫻桃，是(shi)一(yi)種重要(yao)的(de)果樹作物(wu)，廣泛種植(zhi)于中(zhong)國(guo)及亞洲其他地區。果實硬(ying)(ying)度(du)不僅影響其口(kou)感，還直接(jie)關系到果實的(de)貯藏和(he)運輸能(neng)力。長期以來，科學家們一(yi)直在努(nu)力探索控制果實硬(ying)(ying)度(du)的(de)遺傳(chuan)機制，以期通過育種技術培育出更(geng)耐貯藏、品(pin)(pin)質(zhi)更(geng)優的(de)品(pin)(pin)種。
PART/02、研究材料與(yu)方法
1.實驗材料：中國櫻桃
2.測序平(ping)臺：Illumina、PacBio、Hi-C、ONT。
3.分析內容：單倍型基(ji)(ji)因組組裝、比較基(ji)(ji)因組分析、TEM、轉錄組測序(xu)、亞細胞定位、轉基(ji)(ji)因等(deng)。
文章研究思路圖
PART/03、研究結果
甜櫻桃(tao)基因組的(de)組裝和注(zhu)釋(shi)
PruPse（中國櫻(ying)桃(tao)）基(ji)于流(liu)式預估出(chu)基(ji)因(yin)組大小為1.09Gb，是二倍體P. avium（2n=2x）基(ji)因(yin)組大小的(de)2倍，說明(ming)中國櫻(ying)桃(tao)的(de)基(ji)因(yin)組是四倍體。基(ji)于43X的(de)HiFi和(he)176.35G的(de)Hi-C數(shu)據掛載出(chu)一個305.72Mb有8條染色體的(de)單倍體基(ji)因(yin)組。
圖(tu)1 Prunus pseudocerasus形態特征與(yu)基因(yin)組組裝(zhuang)
基(ji)因(yin)組共線性與基(ji)因(yin)家族分析
將PruPse基(ji)因組與(yu)P.avium（PruAvi）、P.persica（PruPer）和P.serrulata（PruSer）基(ji)因組進(jin)行比較(jiao)，并構建了三(san)個(ge)共線性圖(tu)（圖(tu)2A-C），結果表明，PruPse和三(san)個(ge)物種(zhong)分(fen)別有2757、6439和4147個(ge)強(qiang)共線區塊，分(fen)布在8條(tiao)染色(se)體上，表明強(qiang)烈(lie)的(de)跨物種(zhong)同一(yi)性（圖(tu)2D）。
圖2 4個基因組(zu)的(de)共線(xian)性(xing)分析
五個(ge)物(wu)種(zhong)的(de)(de)(de)基(ji)因家族分析，共有(you)11819個(ge)基(ji)因家族，PruPse攜帶的(de)(de)(de)特(te)有(you)基(ji)因家族數量最(zui)(zui)多。隨后比較了PruPse和(he)20個(ge)選定(ding)物(wu)種(zhong)之間的(de)(de)(de)多拷貝和(he)單拷貝直系同(tong)源(yuan)、獨特(te)旁系同(tong)源(yuan)、其他直系同(tong)源(yuan)和(he)未聚類基(ji)因的(de)(de)(de)計數（圖3B）。在(zai)P.avium形成物(wu)種(zhong)后，P.pseudocerasus中分別有(you)2229個(ge)和(he)4967個(ge)基(ji)因家族收(shou)縮(suo)和(he)擴增（圖3C）。值得注意的(de)(de)(de)是，擴增的(de)(de)(de)基(ji)因在(zai)細胞(bao)(bao)成分（CC）的(de)(de)(de)“細胞(bao)(bao)壁”中最(zui)(zui)顯著富集，而收(shou)縮(suo)的(de)(de)(de)基(ji)因在(zai)CC的(de)(de)(de)“凱氏帶”中富集。
圖3 比較基因組分析
中國櫻桃質地柔軟取決(jue)于細胞壁降解
測(ce)量(liang)兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)(ge)品(pin)(pin)種在成熟果(guo)(guo)(guo)實（RF）階(jie)段的質地(di)相關變(bian)量(liang)（圖(tu)4A），黑珍珠在質地(di)參數（硬度(du)和(he)(he)咀(ju)嚼性(xing)）的得分(fen)(fen)明(ming)(ming)顯高于諸暨短柄(bing)（圖(tu)4B-E）。使用掃(sao)描電鏡（cryo-SEM）分(fen)(fen)析(xi)成熟果(guo)(guo)(guo)實切(qie)片發現：‘諸暨短柄(bing)’和(he)(he)‘黑珍珠’的外果(guo)(guo)(guo)皮細(xi)胞(bao)形(xing)(xing)狀不同(tong)，前者呈方形(xing)(xing)，排列(lie)緊密，而(er)后者呈長橢圓形(xing)(xing)，稀疏（圖(tu)4F和(he)(he)G），這可(ke)能是由于細(xi)胞(bao)壁(bi)降(jiang)解更為明(ming)(ming)顯所致(zhi)（圖(tu)4F）。隨后，分(fen)(fen)析(xi)這兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)(ge)品(pin)(pin)種在小青果(guo)(guo)(guo)（SGF）、藜蘆果(guo)(guo)(guo)（VF）和(he)(he)RF階(jie)段果(guo)(guo)(guo)實的細(xi)胞(bao)壁(bi)成分(fen)(fen)。總體而(er)言，這些結果(guo)(guo)(guo)表明(ming)(ming)，這兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)(ge)品(pin)(pin)種的果(guo)(guo)(guo)實軟化(hua)取(qu)決(jue)于細(xi)胞(bao)壁(bi)降(jiang)解，兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)(ge)品(pin)(pin)種之間果(guo)(guo)(guo)實硬度(du)的差異歸因于果(guo)(guo)(guo)膠、纖(xian)維(wei)素(su)和(he)(he)半纖(xian)維(wei)素(su)含(han)量(liang)的不同(tong)程(cheng)度(du)變(bian)化(hua)。
圖4 兩個品(pin)種櫻桃(tao)的紋理參數、微(wei)觀結構和(he)細胞壁成分比較
果實(shi)內部的(de)顯微CT解釋了(le)硬度差異
利用(yong)顯微CT技術比較了(le)(le)“諸暨短(duan)柄(bing)”和“黑珍珠”的(de)物理結構，分(fen)析發(fa)現(xian)，前者果(guo)實(shi)(shi)的(de)花(hua)序梗(geng)基部(bu)和頂部(bu)存(cun)在較大的(de)破(po)裂(lie)（圖(tu)(tu)(tu)5B），二維(wei)圖(tu)(tu)(tu)像在其(qi)果(guo)實(shi)(shi)中發(fa)現(xian)了(le)(le)39個空隙（圖(tu)(tu)(tu)5C和D）。3D重(zhong)建后，傷(shang)口的(de)破(po)裂(lie)特(te)征清晰可(ke)見（圖(tu)(tu)(tu)5E-G）。二維(wei)圖(tu)(tu)(tu)像中在“黑珍珠”果(guo)實(shi)(shi)內發(fa)現(xian)了(le)(le)一(yi)個致密的(de)空隙體（圖(tu)(tu)(tu)5H-J），3D重(zhong)建顯示，果(guo)實(shi)(shi)的(de)花(hua)梗(geng)基部(bu)只有一(yi)處破(po)裂(lie)，其(qi)他(ta)部(bu)位(wei)沒(mei)有明顯的(de)傷(shang)口（圖(tu)(tu)(tu)5K）。這些(xie)發(fa)現(xian)強調了(le)(le)櫻(ying)桃果(guo)肉質(zhi)地(di)對沖(chong)擊相關(guan)的(de)果(guo)肉損傷(shang)程度的(de)顯著影(ying)響。
圖5 兩個品種的果實(shi)內部(bu)3D顯(xian)微結(jie)構
GalAK-like和Stv1 可能調(diao)控櫻桃(tao)果實的硬度(du)
對(dui)這兩個品種(zhong)的SGF、VF和(he)RF三個發育(yu)(yu)時期(qi)果(guo)實進行轉(zhuan)錄組測序(xu)，觀察到(dao)不(bu)同發育(yu)(yu)階段共8種(zhong)表(biao)(biao)(biao)達模式（圖(tu)(tu)(tu)6A）。非(fei)同源EP3和(he)EP4基因(yin)的GO分析表(biao)(biao)(biao)明，它們在(zai)細(xi)胞(bao)壁修飾、表(biao)(biao)(biao)皮(pi)烴(jing)生物(wu)合成(cheng)和(he)初級代謝過(guo)程(cheng)中顯(xian)著富集（圖(tu)(tu)(tu)6C）。相關(guan)網絡分析結(jie)果(guo)表(biao)(biao)(biao)明，GalAK-like和(he)Stv1在(zai)參(can)與(yu)(yu)初級和(he)有機物(wu)質代謝過(guo)程(cheng)的基因(yin)中具(ju)有最佳(jia)的連接性（圖(tu)(tu)(tu)6F）。這兩個基因(yin)在(zai)“諸暨短柄”和(he)“黑珍珠”的SGF、VF和(he)RF發育(yu)(yu)階段都有差異表(biao)(biao)(biao)達（圖(tu)(tu)(tu)6G）。使(shi)用熒光蛋白標(biao)記的亞細(xi)胞(bao)定位(wei)顯(xian)示，PpsGalAK-lik和(he)PpsSv1主要(yao)在(zai)細(xi)胞(bao)核和(he)細(xi)胞(bao)質中表(biao)(biao)(biao)達（圖(tu)(tu)(tu)6H），與(yu)(yu)CELLO v.2.5的預測一致。
圖6 GalAK-like 和 Stv1 可(ke)能調控櫻桃(tao)果實的硬度
GalAK-like和(he)Sv1通過影響果膠含量改變果實硬度
在櫻桃果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)實(shi)中瞬時過表(biao)達PpsGalAK-like和(he)PpsSv1（圖7A）。與對照果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)相(xiang)比，3個轉(zhuan)基因果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)中PpsGalAK-like和(he)Stv1表(biao)達均顯著(zhu)增加（圖7C-D）。表(biao)型特征表(biao)明(ming)，轉(zhuan)基因果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)的果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)實(shi)明(ming)顯更結(jie)實(shi)（P<0.05；圖7E和(he)F）；測量了PpsGalAK-like-OE和(he)PpsSv1-OE轉(zhuan)基因果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)中細胞壁相(xiang)關(guan)基因（即PL5、QRT3、β-Gal和(he)XTH26）的表(biao)達水(shui)平(ping)。這些關(guan)鍵的果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)膠代謝相(xiang)關(guan)基因在PpsGalAK-like-OE轉(zhuan)基因果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)中顯著(zhu)上調（P<0.05；圖7G-I）。總(zong)體而言，這些結(jie)果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)表(biao)明(ming)，PpsGalAK-like和(he)PpsSv1通過提高原果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)膠含(han)量來(lai)增強果(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)實(shi)硬度。
圖(tu)7 GalAK-like和Stv1 影響果膠(jiao)含(han)量(liang)從而改(gai)變果實(shi)硬度
PART/04、結 論
這(zhe)項(xiang)研究利(li)用(yong)單體(ti)型基(ji)因組組裝技術，為中國(guo)櫻桃的果實硬度提供了(le)深入的理解。主要發現(xian)包(bao)括：
成功組裝了高質量(liang)的四倍體中國櫻(ying)桃基因組。
鑒定(ding)了多個與果實(shi)硬度(du)相關的(de)基(ji)因(yin)，特別是細胞壁修飾酶(mei)基(ji)因(yin)。
通過表達譜分析(xi)，揭示了這(zhe)些基(ji)因(yin)在(zai)果實發育過程中的(de)動態(tai)變(bian)化。
這些成果不僅為(wei)理解果實硬度的遺傳(chuan)機(ji)制提供了重(zhong)要線索，還為(wei)未來的櫻桃(tao)育種和改良工作(zuo)帶來了巨大的潛力。具體應用前景包括：分(fen)子標記輔助育種、基(ji)因編(bian)輯技術、精準農業。
未(wei)來，隨(sui)著(zhu)這(zhe)些技術的應用和發展，我們(men)有理由相信，更加(jia)美味、耐貯藏的櫻(ying)桃(tao)品種將很快出現在我們(men)的餐桌上(shang)。
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文章索引(yin)
Jiu, ST, et al.Haplotype-resolved genome assembly for tetraploid Chinese cherry (Prunus pseudocerasus) offers insights into fruit firmness.Hortic Res.2024 Jul 8;11(7):uhae142.
