甜橙芽變（體(ti) 細胞變異）群體(ti) 的表型          徐強供圖

冰糖橙、錦橙、甜橙、血橙、夏橙……這些酸甜度不同的橙子在植物分類學中都屬於(yu) 甜橙。世界上甜橙的基因組背景完全一致，風味多樣的品種主要來源於(yu) 體(ti) 細胞變異。

近日，《自然—植物》在線發表了華中農(nong) 業(ye) 大學園藝林學學院教授徐強課題組構建的高質量的甜橙參考基因組。他們(men) 首次闡明了甜橙體(ti) 細胞變異的基因組基礎，為(wei) 芽變機製提供了理論支撐，同時也為(wei) 果實風味育種提供了基因資源。

果實品質是甜橙選育的主要因素

論文通訊作者徐強介紹，我國是世界上柑橘屬植物的起源演化中心之一，擁有豐(feng) 富的種質資源。大部分低酸芽變材料分布在亞(ya) 洲地區。甜橙在曆史上數次從(cong) 中國經過海上絲(si) 綢之路、陸地茶馬古道等傳(chuan) 播到外地。

據報道，最初被波斯（今伊朗地區）、地中海地區商人引進的中國甜橙是高酸類型，這類高酸的果實易於(yu) 長途儲(chu) 運但風味不好。“或許與(yu) 果實的品質有密切關(guan) 係。”論文第一作者、華中農(nong) 業(ye) 大學園藝林學學院王淪說，在長途海運中，為(wei) 防治壞血酸症，醫生建議食用甜橙補充維生素C。而由於(yu) 當時保鮮技術的限製，最初的甜橙應該是耐儲(chu) 存的高酸品種。後來從(cong) 中國引進了酸含量中等、風味更好的甜橙類型。隨後，甜橙群體(ti) 數次經過海運、陸運到達世界各地，

“人們(men) 對果實品質尤其關(guan) 注，果實風味是鮮食水果品係市場價(jia) 值的重要因素。而野生柑橘資源或原始材料大多是高酸材料。”徐強說，近現代的果樹芽變育種主要關(guan) 注果實中檸檬酸的變異，柑橘馴化過程中主要降低了檸檬酸含量而改良了口感。

王淪說，經過長期栽培和選育，柑橘有豐(feng) 富的品種資源和變異類型，柑橘新品種也不斷湧現。例如，地中海地區選育的柑橘品種大部分是中等酸度的品種。

研究發現，基因組中造成甜橙芽變品種果實檸檬酸降低的遺傳(chuan) 因子主要是由於(yu) 轉座子引起。“通過大規模的體(ti) 細胞芽變品係與(yu) 低酸的關(guan) 聯研究，可以為(wei) 培育低酸的柑橘品種提供新思路。”徐強說。

影響甜橙風味的體(ti) 細胞變異

徐強介紹，大多數果樹是無性繁殖的，無性繁殖能夠固定雜交優(you) 勢，迅速擴大群體(ti) ，因而基於(yu) 體(ti) 細胞變異的芽變育種就成為(wei) 果樹重要育種途徑。據統計，甜橙所屬的柑橘家族60%的品種來源於(yu) 芽變育種，而80%的甜橙品種都來源於(yu) 芽變育種。

甜橙在全世界114個(ge) 國家栽培，絕大多數品種來源於(yu) 體(ti) 細胞變異。同時，“由於(yu) 甜橙具有無融合生殖的特點，自然條件下進行嚴(yan) 格的無性繁殖，所以成為(wei) 了體(ti) 細胞變異研究的模式物種。”徐強說。

論文第一作者、華中農(nong) 業(ye) 大學園藝林學學院王淪解釋說，真核生物每次細胞分裂，遺傳(chuan) 物質DNA複製和修複過程中有一定概率產(chan) 生突變。除了生殖細胞，體(ti) 細胞數量龐大，也會(hui) 產(chan) 生體(ti) 細胞變異。在人類疾病中，體(ti) 細胞變異累積與(yu) 癌症發生密切相關(guan) 。在植物中，體(ti) 細胞變異可以傳(chuan) 遞給下一代，然而人們(men) 對植物體(ti) 細胞變異認知較少。盡管如此，在果樹育種中，體(ti) 細胞變異被廣泛利用於(yu) 芽變選種。

王淪告訴《中國科學報》，體(ti) 細胞突變使得果實形態、顏色、酸度、成熟期，花器官的育性、花期變化、樹體(ti) 結構等方麵表現出豐(feng) 富多樣的表型。

檸檬酸是柑橘果實風味的關(guan) 鍵因子，該團隊前期研究發現，糖酸比是柑橘果實風味的決(jue) 定因子。

論文並列第一作者、博士生劉子昂介紹，甜橙114個(ge) 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，其果實的酸含量接近於(yu) 檸檬，而無酸甜橙的檸檬酸含量接近為(wei) 0。

“尋找體(ti) 細胞變異是研究芽變機製的重要方式。”徐強說，但是，高精度的體(ti) 細胞變異檢測難度很高，這為(wei) 研究無性繁殖群體(ti) 的群體(ti) 演化製造了困難。

徐強認為(wei) ，對於(yu) 植物，覆蓋全基因組的體(ti) 細胞變異檢測和精準預測位置是打開芽變研究的“金鑰匙”，可以為(wei) 後期芽變材料的分子標記設計，揭示各種重要芽變的“真麵目”。

如何提高變異位點的預測精度

“甜橙為(wei) 橘柚雜交後代，基因組高度雜合。高質量基因組可以促進高質量體(ti) 細胞變異的檢測。”徐強告訴《中國科學報》，為(wei) 了解析甜橙體(ti) 細胞變異的遺傳(chuan) 基礎，挖掘影響果實酸味的關(guan) 鍵基因，他們(men) 采用了芽變群體(ti) 結合基因組學的策略，提高了體(ti) 細胞變異位點的預測精準度。

首先，該團隊建立了高質量的甜橙參考基因組，將組裝的序列掛載到甜橙的9條染色體(ti) 上，平均每條染色體(ti) 僅(jin) 包含3個(ge) 缺失。他們(men) 共鑒定出29875個(ge) 基因。

“目前，該基因組為(wei) 目前柑橘屬最好的基因組，其質量在所有果樹基因組中也位居前列。”論文並列第一作者黃躍說。

同時，他們(men) 還完成了5個(ge) 甜橙芽變係的基因組，通過基因組比較，發現芽變係之間存在大片段的結構變異，多達2321個(ge) 。進一步鑒定到877個(ge) 轉座子跳躍事件。這些轉座子在低酸和無酸的突變體(ti) 中插入到相關(guan) 基因中，從(cong) 而影響了果實的pH值及檸檬酸含量。

其次，他們(men) 收集到114個(ge) 甜橙芽變群體(ti) ，“數量豐(feng) 富，覆蓋國內(nei) 外各種芽變資源，對芽變研究具有足夠的代表性”。論文作者、西南大學柑橘研究所研究員江東(dong) 說，這些品種包括位於(yu) 我國南方栽培曆史悠久的地方品種、來源於(yu) 地中海沿岸以及美洲的栽培品種。

通過分析和鑒定，該團隊確定了這些芽變材料為(wei) 嚴(yan) 格的克隆材料。“背景相似度高達99.99%，沒有發生雜交事件，沒有染色體(ti) 重組，基因組之間的差異僅(jin) 僅(jin) 來源於(yu) 體(ti) 細胞變異。”王淪說。

接著，他們(men) 開發了適合甜橙芽變群體(ti) 的大數據分析方案。王淪介紹，他們(men) 將114個(ge) 甜橙材料隨機分成4組。通過構建群體(ti) 比較模型，精細挑選了體(ti) 細胞變異在基因組中的信號，基於(yu) 統計分析的顯著性篩選高質量的候選變異，將變異信號範圍縮小。

最後，基於(yu) 以上結果設計PCR實驗驗證了轉座子在芽變品種的多態性。“結果表明，驗證率達87%以上，一步一步將預測結果變為(wei) 實際可用的數據。”徐強說，這些數據成為(wei) 甜橙群體(ti) 研究的重要基礎數據，為(wei) 研究甜橙克隆進化規律、芽變機製、無性繁殖作物育種等提供了可靠的數據庫支持。

同時，他們(men) 的研究結論也支撐甜橙在曆史上的傳(chuan) 播路線，並在地中海品種和美洲品種檢測到了更多的體(ti) 細胞變異。

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00941-x


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