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2022年6月,華中農業大學園藝植物生物學教育部重點實驗室鄧秀新院士團隊在National Science Review上發表了題為“Structural variation and parallel evolution of apomixis in citrus during domestication and diversification”的研究論文,首次揭示了柑橘中不同屬間無融合生殖性狀存在平行進化,回答了現代栽培柑橘廣泛存在無融合生殖的遺傳機制,對柑橘育種研究具有重要啟示。百邁客有幸參與本項研究,完成其中PacBio、Hi-C測序等工作。為了更好的分享最新熱門科研進展與研究經歷,助力科研解讀基因,百邁客特邀邀請到文章第一作者王楠博士,于7月5日以直播的形式,為我們分享柑橘無融合生殖的遺傳機制(掃描下方二維碼即可免費報名參與)。

文獻秀直播報名

研究背景

我國是柑橘的起源地之一,栽培品種類型繁多,柑、橘、橙、柚、葡萄柚、檸檬、金柑、雜柑等都有規?;脑耘?。柑橘廣泛存在無融合生殖的特性,導致后代基因型和母本保持一致,阻礙了柑橘的雜交育種進程。因此,研究柑橘無融合生殖對于加速柑橘遺傳改良具有重要意義。此外,無融合生殖還被運用于作物的雜種優勢固定,具有重要應用前景,對我國種業發展具有重要意義。柑橘是研究孢子體無融合生殖的模式材料,解析柑橘無融合生殖的遺傳機制,能夠為作物雜種優勢固定提供新的思路。

柑橘中的金柑屬在我國具有悠久的栽培歷史,山金柑 (Hongkong kumquat,?Fortunella hindsii) 是金柑屬的一種常綠野生果樹,具有無融合生殖和有性生殖兩種類型,是研究無融合生殖的良好材料。

主要研究結果

柑橘基因組組裝與結構變異

為了解析柑橘珠心胚的進化、遺傳和分子機制,作者對山金柑自交系Sy3-45進行了基因組組裝。最終完成了323.72 Mb(contigN50=9.77?Mb)的高質量基因組(圖1a),其連續性比之前的版本提高了4.4倍。BUSCO評估(97%)、共線性評估,均顯示本次構建了高質量的柑橘基因組。通過對不同起源、不同生殖模式柑橘的半合子基因數量進行評估,發現半合子基因數量與生殖模式有關,克隆和無融合生殖作物的半合子基因數量最高,而自交作物的半合子基因數量較低。

圖1 山金柑基因組特征與基因組的比較

圖1 山金柑基因組特征與基因組的比較

柑橘無融合生殖表型的多起源

收集了234份柑橘亞族的材料全基因組測序數據(其中46份是該研究新測的山金柑種質),這些數據中包括介于雜交起源的混合類群(即葡萄柚、甜橙、檸檬和酸橙)。系統發育分析表明,生殖模式在多種情況下從完全有性生殖向無融合生殖和再回到有性生殖(圖2)。無融合生殖表型在柑橘中廣泛分布,研究表明無融合生殖可能在該類群中有多個起源。對群體結構分析區分的12個類群進行全基因組的基因深入分析,發現基因滲入在全基因組廣泛存在。但聚焦到無融合生殖區段后發現,漸滲并不能解釋柑橘屬和金柑屬無融合生殖的發生。

圖2 柑橘群體進化研究

圖2 柑橘群體進化研究

無融合生殖和有性生殖群體的結構和有害負擔

柑橘通過珠心進行無融合生殖,保留了母體基因型,這可能導致基因組中有害突變和結構變異(SVs)的積累。從234份材料中共鑒定出139,241個可靠的SVs,其中64.2%為缺失,16.6%為重復,15.5%為易位。山金柑的SV數量最高,可能與有效種群大小減少有關(圖3a)。具有無融合生殖的雜交群體的雜合有害變異約為有性生殖群體的1.45倍。隨后提出了雜種無融合生殖將SVs隱藏在雜合子狀態的假說,這可能主要是隱性選擇造成的危害。因此,有性生殖的雜種可能會迅速以隱性純合的方式暴露有害變異。這個假說解釋了為什么無融合生殖和有性生殖的天然雜交樣本中觀察到的自然雜種通常是無融合生殖的。有害突變的模式與SVs的模式一致,即與有性生殖群體相比,無融合生殖群體的隱性有害負擔較低(7.39%),雜合子SVs較多(約2.62倍)。在隱性模型下,從無融合生殖到有性生殖的生殖模式轉變導致種群適應度在轉變后立即下降13.48±0.87%,但隨后恢復(圖3i)。相比之下,保持無融合生殖的種群保持種群適合度。

圖3無融合生殖和有性生殖群體中的結構變異(SVs)和有害突變

同一位點有助于金柑屬和柑橘屬的無融合生殖

山金柑具有無融合生殖和有性生殖兩種類型,為了定位山金柑無融合生殖的潛在位點,作者利用無融合生殖的山金柑系“DB”與兩個有性生殖的山金柑“PN”和“PN03”作為母本雜交構建了一個分離群體(圖4a)。通過ΔSNP指數及KASP標記等方式進一步將相關位點縮小到chr4上313 Kb區域?;?13 Kb區域的系統發育學及全基因組fb統計表明,至少有一些山金柑的無融合生殖是通過基因滲入產生的。進行序列比對以進一步確定與山金柑(313 Kb)、柑橘(380 Kb)和柚子(80 Kb)基因組共享的無融合生殖基因組區域中珠心胚發生和發育相關的主要原因(圖5a)。這三個區域之間的最小重疊包含FhRWP基因,這是一種RWP-RK域轉錄因子,與據報道與有助于柑橘無融合生殖的CitRWP基因同源。

圖4 有性生殖向無融合生殖過渡的候選位點

圖4 有性生殖向無融合生殖過渡的候選位點

柑橘亞族無融合生殖的雜合MITE插入

為了研究柑橘無融合生殖決定區的遺傳變異模式,基于單倍型構建了313 Kb區域的系統發育樹(圖5b)。結果表明,柑橘存在多種無融合生殖現象。同一個體的兩個單倍型并不總是聚集在同一分支中,這表明不同群體中無融合生殖的起源不同。前期研究表明,在CitRWP基因啟動子中插入的MITE與無融合生殖相關。作者將PCR和循環一致性測序(CCS)相結合,以闡明FhRWP啟動子的復雜結構。結果證實,MITE的插入與無融合生殖和無融合生殖單倍型密切相關。進一步研究表明,不同數量的MITE及其不同的序列表明無融合生殖等位基因可能起源不同;MITE插入在雜合子狀態下非常常見,這可能與無融合生殖品種的單倍型差異有關。

圖5 山金柑和柑橘中的雜合MITE插入

圖5 山金柑和柑橘中的雜合MITE插入

FhRWPMITE相互作用的因素

通過細胞學分析珠心胚的起始過程,無融合生殖山金柑的胚珠在開花時明顯,但在有性生殖山金柑中不明顯(圖6a)。轉錄組分析表明,在開花前7天和開花后7天兩個時期,有MITE插入的無融合生殖單倍型中均檢測到FhRWP表達,但在無MITE插入的有性生殖材料中未檢測到表達(圖6b)。在開花后0、3、5、10和20天的五個發育階段的RT-qPCR檢測證實了這一結果。

甲基化及酵母單雜分析進一步的探索了FhRWP基因表達調控的相關因素,鑒定了一種轉錄因子FhARID(Fh3g37720),位于與無融合生殖區不同的染色體上,該轉錄因子編碼一個富含AT的相互作用域的蛋白質,該蛋白質結合到FhpMITE右側片段(圖6h)。FhARID在無融合生殖的山金柑胚珠中特異表達。為了研究MITE類序列的數量是否對FhARID誘導的FhRWP表達激活很重要,作者構建了具有一個、兩個和三個pMITE序列拷貝的啟動子,并通過瞬時轉化煙草進行了雙熒光素酶測定。結果表明,FhARID結合pMITE序列并激活連鎖報告基因表達,但pMITE序列的數量在FhARID介導的激活中沒有顯示出顯著差異。

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圖6 無融合生殖調控的分子特征

圖6 無融合生殖調控的分子特征

研究小結

該研究團隊利用山金柑品系Sy3-45為材料進行了高質量染色體級別基因組的組裝和遺傳群體構建,實現了金柑屬無融合生殖關鍵基因的定位。結合柑橘不同屬材料的全基因組重測序數據,進一步解析了金柑屬和柑橘屬無融合生殖表型的平行進化機制。該研究發現,雜交起源的柑橘群體能夠通過無融合生殖來保持雜交優勢,并導致無融合生殖的關鍵MITE插入以雜合子形式存在,首次提出了無融合生殖在柑橘分化和馴化過程中的重要作用。

 

 

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