作者:王方 来源: 中国科学报 发布时间:2019/4/16 9:39:00
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再探猕猴桃基因奥秘

毛花猕猴桃 刘永胜供图


 

■本报记者 王方

这项研究不仅证实了猕猴桃进化过程中两次近代基因组倍增历史事件对物种分化和物种形成的影响,而且进一步揭示猕猴桃富营养成分诸如维生素C、类胡萝卜素、叶绿素和类黄酮等的基因组学机制,为猕猴桃品质改良和遗传育种奠定了坚实基础。

猕猴桃起源于中国,大约100年前引入新西兰开始驯化和栽培。目前已在中国、新西兰、意大利、智利等10多个国家大规模种植,成为风靡全球的营养最为丰富的水果之一。在科学界,猕猴桃基因组学和功能基因组学备受关注。

猕猴桃基因组和功能基因组计划由安徽农业大学教授刘永胜团队和美国康奈尔大学教授费章君团队共同领导,参与单位包括四川大学、合肥工业大学、四川省自然资源研究院等高校和科研机构。日前,该团队相继在Plant Journal和Giga Science发表两项成果,进一步探索猕猴桃基因组的奥秘。

毛花猕猴桃基因组首揭示

猕猴桃因其独特的风味、富含多种营养成分而受到消费者青睐,被冠以“水果之王”和“维C之王”之美誉。猕猴桃属中具重要经济价值的栽培种包括中华猕猴桃、美味猕猴桃、软枣猕猴桃和毛花猕猴桃等。

早在2013年,刘永胜团队就在《自然—通讯》上发表了对我国广泛栽培的中华猕猴桃“红阳”进行的基因组测序及分析研究成果,绘制出猕猴桃全基因组序列草图。在这一基础上,研究团队日前利用三代测序技术(单分子测序)和三维基因组(Hi-C)技术,构建了毛花猕猴桃品种“华特”基因组的精细图谱。

“研究中遇到的主要难点和挑战是,猕猴桃基因组因为是雌雄异株生殖方式引起的高度杂合,基因组组装时杂合位点与重复序列不易区分。但我们利用最新三代测序技术很好地解决了这一难题。”刘永胜接受《中国科学报》采访时表示。

毛花猕猴桃,其果实维生素C含量大约是中华猕猴桃的6倍,且具有富含多种矿物质、高抗溃疡病、易剥皮、耐储藏等优点,逐渐受到猕猴桃科研工作者和产业界人士的重视和关注。江浙一带消费者喜食毛花猕猴桃并大规模种植。“华特”是浙江省农科院培育的优异毛花猕猴桃品种。

本次“华特”基因组组装质量非常高,组装后基因组的大小约为690.6Mb,N50为21.7Mb。大约99%的序列都能挂载到29条染色体上。毛花猕猴桃基因组包含43%的重复序列和42850个基因,其中39075个基因与其他物种高度同源。

“该研究还发现毛花猕猴桃和中华猕猴桃有较高的同源性,它们的分化时间大约为330万年前。”刘永胜介绍,两种猕猴桃基因组都经历了一次古代倍增和两次近代倍增,但毛花猕猴桃有1740个基因家族扩张,1345个基因家族收缩。

这项研究不仅证实了猕猴桃进化过程中两次近代基因组倍增历史事件对物种分化和物种形成的影响,而且进一步揭示猕猴桃富营养成分诸如维生素C、类胡萝卜素、叶绿素和类黄酮等的基因组学机制,为猕猴桃品质改良和遗传育种奠定了坚实基础。

这支团队希望,这张在染色体水平上组装完成的猕猴桃基因组高精度分子图谱,能为猕猴桃整个产业链功能基因挖掘和遗传改良提供理论参考和技术支持。

红心猕猴桃为什么红

人们不仅要求水果营养丰富,而且对其外观品质提出了更高要求。消费市场上常把猕猴桃分为绿心、黄心和红心,经济价值不一。这也意味着,了解果实色泽性状形成的分子基础、发掘色泽艳丽的猕猴桃品种资源具有重要的理论意义和实际应用价值。

刘永胜介绍,中国消费者喜欢红肉偏甜,而西方消费者喜食黄肉偏酸或酸甜适中。总的来说,猕猴桃商业化品种基本要求外形美观,比如大小适中、金黄色、卵圆形等,还要风味独特、耐储运等。

“红心猕猴桃含有大量类黄酮和花青素等生物活性物质,具有很高的抗氧化能力,营养价值极高,风味独特,深受消费者喜爱。科研工作者往往关注其合成和调控的机理及相关的功能基因。”刘永胜说。

那么,红心猕猴桃为什么红?该团队关于猕猴桃功能基因组的研究,揭示了备受关注的红心猕猴桃花青素代谢调控的分子机理。

研究人员选取的红心猕猴桃品种叫“红阳”,由四川省自然资源研究院选育,是我国第一个商业化、国际化、大规模种植的红心猕猴桃品种。

研究人员首先利用组学技术找到与花青素代谢相关的差异表达候选基因,包括8个转录因子和2个结构基因。再利用转录激活基因瞬时表达系统确定转录因子AcMYB123和AcbHLH42的协同表达是红心猕猴桃内果肉花青素合成代谢必不可少的前提条件。

双分子荧光和免疫共沉淀实验也证明AcMYB123与AcbHLH42能够形成复合体。RNA干涉(RNAi)实验显示,敲除两个中的任何一个会导致猕猴桃果实丧失积累花青素的能力。

紧接着,研究人员用异源瞬时表达系统和稳定遗传转化技术证明,无论是烟草、猕猴桃或是拟南芥模式系统,只有同时表达AcMYB123和AcbHLH42两个转录因子才可能诱导大量花青素的合成和积累。

有趣的是,研究人员发现AcbHLH42还可与另一个猕猴桃花青素转录调控因子AcMYBF110互作形成复合体,并促进花青素的合成和积累。

刘永胜表示,该项研究的意义在于发现了两组转录因子复合体参与调控红心猕猴桃花青素合成和积累,揭示了花青素组织特异性积累的分子机制,并为猕猴桃品质改良分子设计育种提供了重要的基因资源和新的技术途径。

目前我国猕猴桃育种和产业仍面临着不少挑战,刘永胜希望,以团队猕猴桃基因组学和功能基因组学的科研优势为国家猕猴桃产业发展再助力。

相关论文信息:

DOI:10.1038/ncomms3640

DOI:10.1111/tpj.14330

DOI:10.1093/gigascience/giz027

《中国科学报》 (2019-04-16 第5版 农业科技)
 
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