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蕓香科柑橘屬包含人們熟知的多種水果，如橘子、甜橙、柚子、檸檬、青檸等，這一成員眾多且紛亂的水果家族擁有悠久的栽培歷史，并且具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著基因測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，柑橘屬的起源與馴化問(wèn)題以及其特殊性狀形成機(jī)制也開(kāi)始變得明晰。
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甜橙基因組圖譜構(gòu)建完成
（Nature Genetics, 2012）
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在2012年首次完成了甜橙（Citrus sinensis）基因組構(gòu)建工作，為了降低組裝難度，研究人員采用雙單倍體測(cè)序方法成功繪制出了甜橙的87%的基因組序列，組裝基因組大小為320Mb，ContigN50為49.89Kb，ScaffoldN50為1.69Mb，編碼蛋白的基因數(shù)量為29,445個(gè)。
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圖1 組裝的基因組與遺傳圖譜比對(duì)
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重測(cè)序分析表明二倍體甜橙具有較高的雜合度（50%），同時(shí)SNPs密度偏好性發(fā)現(xiàn)柚和柑橘的貢獻(xiàn)度為1:3，并有證據(jù)表明甜橙的葉綠體很可能來(lái)源于柚。因此，研究人員推斷：母本柚（pummelos）與父本柑橘（mandarins）進(jìn)行雜交，再與母本柚（pummelos）回交，從而形成甜橙。
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圖2 甜橙起源的模型
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對(duì)甜橙基因組分析，揭示甜橙基因組的進(jìn)化歷史，同時(shí)發(fā)現(xiàn)甜橙中與維生素C合成有關(guān)的基因出現(xiàn)基因擴(kuò)增等現(xiàn)象，進(jìn)一步結(jié)合RNA-Seq進(jìn)行聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)GalUR基因表達(dá)上調(diào)很可能是甜橙富含維C的重要原因。
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圖3 與維C代謝相關(guān)的基因表達(dá)與進(jìn)化
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橘、柚、橙基因組測(cè)序初步揭示柑橘屬?gòu)?fù)雜的馴化過(guò)程
（Nature Biotechnology, 2014）
2014年，美國(guó)科學(xué)家完成了幾種柑橘屬水果的基因組測(cè)序，其中包括四種柑橘、兩種柚和酸橙，這一研究成果發(fā)表在Nature Biotechnology雜志上，該研究構(gòu)建了更高質(zhì)量的柑橘屬物種基因組，較之前發(fā)表的甜橙基因組質(zhì)量有顯著提高（Contig L50=119Kb,ScaffoldL50=6.8Mb）。除此之外，該研究也對(duì)柑橘屬的演化、馴化等問(wèn)題進(jìn)行了探討。該研究表明，栽培柚來(lái)源祖先種C. maxima，栽培寬皮桔來(lái)源C. reticulata，并有C. maxima的滲入。
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圖4 柑橘屬染色體進(jìn)化關(guān)系
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柑橘屬基因組測(cè)序揭示其多胚性狀形成機(jī)制
（Nature,2017）
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繼甜橙基因組公布以后，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)同一研究團(tuán)隊(duì)再一次完成了四個(gè)柑橘代表種的基因組構(gòu)建工作，并通過(guò)聯(lián)合比較基因組、重測(cè)序以及轉(zhuǎn)錄組等等方法解析了柑橘“多胚”形成的分子基礎(chǔ)，鎖定了關(guān)鍵基因CitRWP。
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研究人員利用單分子測(cè)序技術(shù)（PacBio）構(gòu)建了迄今為止最為完整的柑橘基因組，其中Contig N50為2.2 Mb，是已經(jīng)報(bào)道的柑橘基因組的18倍以上。
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圖5 柑橘屬系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系及性狀表現(xiàn)
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進(jìn)一步對(duì)100份代表性原始、野生和栽培柑橘進(jìn)行深度測(cè)序及群體比較，分析表明原始柑橘的遺傳多樣性最高，栽培柑橘中的生殖和能量代謝相關(guān)的基因受到了選擇。
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圖6 柑橘遺傳多樣性和群體差異分析
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本研究利用柑橘基因組平臺(tái)優(yōu)勢(shì)結(jié)合前期構(gòu)建的遺傳群體，針對(duì)性設(shè)計(jì)了極端表型混池測(cè)序和局部基因關(guān)聯(lián)分析的策略，將柑橘多胚位點(diǎn)定位到一段80Kb的區(qū)域，包含11個(gè)候選基因。進(jìn)一步精細(xì)剖析發(fā)現(xiàn)候選基因CitRWP與多胚性狀的關(guān)聯(lián)程度最高，并表現(xiàn)出胚珠特異表達(dá)的特點(diǎn)，且在多胚的表達(dá)顯著高于單胚。
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圖7 柑橘多胎化基因定位
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柑橘屬泛基因組測(cè)序揭示其起源與進(jìn)化機(jī)制
（Nature,2018）
該研究分析了已發(fā)表的柑橘屬基因組和30種新測(cè)序的基因組（共60種材料的基因組），通過(guò)基因組學(xué)分析、系統(tǒng)發(fā)育分析以及生物地理學(xué)分析，揭示了柑橘屬植物的起源、進(jìn)化以及馴化歷史。
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圖8 柑橘屬遺傳結(jié)構(gòu)、雜合分布及系統(tǒng)進(jìn)化分析
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基于59萬(wàn)個(gè)AIM（Ancestry Informative Marker or SNP），找到46份柑橘材料的片段祖先來(lái)源。在28個(gè)柑橘基因組中，23個(gè)發(fā)現(xiàn)有柚子基因組的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步分析后，研究人員繪制了主要柑橘屬成員的的遺傳家譜。
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圖9 主要柑橘屬成員家譜圖
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該研究表明柚果實(shí)大小與柚基因混入比例之間呈強(qiáng)正相關(guān)（r=0.88）。果實(shí)風(fēng)味（酸度）GWAS關(guān)聯(lián)到8號(hào)染色體0.3-2.2Mb區(qū)間，在這個(gè)區(qū)域，甜柑橘在該區(qū)域有柚混入，而酸柑橘?zèng)]有，最后從該區(qū)域的基因中篩選到一個(gè)調(diào)節(jié)檸檬酸合成的IDH基因。
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圖10 GWAS分析柚果實(shí)大小及酸度相關(guān)基因定位
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柑橘基因組的研究趨勢(shì)與水稻和大豆基本類似，都經(jīng)歷了以下過(guò)程：
1.從單個(gè)基因組構(gòu)建研究深入到泛基因組水平，從而能夠更全面地獲得該物種的所有基因資源和變異信息（小廣告：如果利用10X Genomics技術(shù)，能夠以超低的成本得到高質(zhì)量的基因組，可謂泛基因組的構(gòu)建的利器）；
2.利用重測(cè)序BSA、遺傳圖譜、GWAS技術(shù)對(duì)所要研究的性狀進(jìn)行基因組定位，從而將基因與性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如柑橘的研究中，利用BSA技術(shù)定位了柑橘多胚性狀相關(guān)基因，利用GWAS定位了果實(shí)風(fēng)味相關(guān)基因；
3.利用重測(cè)序群體進(jìn)化分析，對(duì)物種在人工馴化或自然選擇的過(guò)程中發(fā)生的性狀上的定向改變和亞種形成進(jìn)行過(guò)程研究，從而在基因?qū)用娼馕鑫锓N的起源和進(jìn)化問(wèn)題；
4.利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，從轉(zhuǎn)錄調(diào)控層面和表達(dá)水平來(lái)輔助生物學(xué)問(wèn)題的解決。
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博奧晶典作為一家致力于打造技術(shù)平臺(tái)最完善的高通量技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)，能夠提供全面的基因組測(cè)序和分析服務(wù)。基于全新的10X Genomics平臺(tái)，可以高質(zhì)量地構(gòu)建出動(dòng)植物基因組圖譜，并對(duì)所有變異位點(diǎn)，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異進(jìn)行全面檢測(cè)；另外，依托博奧生物強(qiáng)大的生信分析團(tuán)隊(duì)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠完美完成動(dòng)植物GWAS、群體遺傳進(jìn)化等各項(xiàng)大規(guī)模深度分析，為您的科研路提供強(qiáng)有力的支持。
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參考文獻(xiàn)
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WuG A, Prochnik S, Jenkins J, et al. Sequencing of diverse mandarin, pummelo and orange genomes reveals complex history of admixture during citrus domestication[J]. Nature Biotechnology, 2014, 32(7):656-62.
WangX, Xu Y, Zhang S, et al. Genomic analyses of primitive, wild and cultivated citrus provide insights into asexual reproduction[J]. Nature Genetics, 2017,49(5):765-772.
WuG A, Terol J, Ibanez V, et al. Genomics of the origin and evolution of Citrus[J]. Nature, 2018.
博奧晶典科研服務(wù)事業(yè)部 李超、李媛媛 | 文案
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