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再探獼猴桃基因奧秘

來源:不詳       更新時間:2019/4/17 16:43:01
 

毛花獼猴桃 劉永勝供圖


 

■本報記者 王方

這項研究不僅證實了獼猴桃進化過程中兩次近代基因組倍增歷史事件對物種分化和物種形成的影響,而且進一步揭示獼猴桃富營養成分諸如維生素C、類胡蘿卜素、葉綠素和類黃酮等的基因組學機制,為獼猴桃品質改良和遺傳育種奠定了堅實基礎。

獼猴桃起源于中國,大約100年前引入新西蘭開始馴化和栽培。目前已在中國、新西蘭、意大利、智利等10多個國家大規模種植,成為風靡全球的營養最為豐富的水果之一。在科學界,獼猴桃基因組學和功能基因組學備受關注。

獼猴桃基因組和功能基因組計劃由安徽農業大學教授劉永勝團隊和美國康奈爾大學教授費章君團隊共同領導,參與單位包括四川大學、合肥工業大學、四川省自然資源研究院等高校和科研機構。日前,該團隊相繼在Plant Journal和Giga Science發表兩項成果,進一步探索獼猴桃基因組的奧秘。

毛花獼猴桃基因組首揭示

獼猴桃因其獨特的風味、富含多種營養成分而受到消費者青睞,被冠以“水果之王”和“維C之王”之美譽。獼猴桃屬中具重要經濟價值的栽培種包括中華獼猴桃、美味獼猴桃、軟棗獼猴桃和毛花獼猴桃等。

早在2013年,劉永勝團隊就在《自然—通訊》上發表了對我國廣泛栽培的中華獼猴桃“紅陽”進行的基因組測序及分析研究成果,繪制出獼猴桃全基因組序列草圖。在這一基礎上,研究團隊日前利用三代測序技術(單分子測序)和三維基因組(Hi-C)技術,構建了毛花獼猴桃品種“華特”基因組的精細圖譜。

“研究中遇到的主要難點和挑戰是,獼猴桃基因組因為是雌雄異株生殖方式引起的高度雜合,基因組組裝時雜合位點與重復序列不易區分。但我們利用最新三代測序技術很好地解決了這一難題。”劉永勝接受《中國科學報》采訪時表示。

毛花獼猴桃,其果實維生素C含量大約是中華獼猴桃的6倍,且具有富含多種礦物質、高抗潰瘍病、易剝皮、耐儲藏等優點,逐漸受到獼猴桃科研工作者和產業界人士的重視和關注。江浙一帶消費者喜食毛花獼猴桃并大規模種植。“華特”是浙江省農科院培育的優異毛花獼猴桃品種。

本次“華特”基因組組裝質量非常高,組裝后基因組的大小約為690.6Mb,N50為21.7Mb。大約99%的序列都能掛載到29條染色體上。毛花獼猴桃基因組包含43%的重復序列和42850個基因,其中39075個基因與其他物種高度同源。

“該研究還發現毛花獼猴桃和中華獼猴桃有較高的同源性,它們的分化時間大約為330萬年前。”劉永勝介紹,兩種獼猴桃基因組都經歷了一次古代倍增和兩次近代倍增,但毛花獼猴桃有1740個基因家族擴張,1345個基因家族收縮。

這項研究不僅證實了獼猴桃進化過程中兩次近代基因組倍增歷史事件對物種分化和物種形成的影響,而且進一步揭示獼猴桃富營養成分諸如維生素C、類胡蘿卜素、葉綠素和類黃酮等的基因組學機制,為獼猴桃品質改良和遺傳育種奠定了堅實基礎。

這支團隊希望,這張在染色體水平上組裝完成的獼猴桃基因組高精度分子圖譜,能為獼猴桃整個產業鏈功能基因挖掘和遺傳改良提供理論參考和技術支持。

紅心獼猴桃為什么紅

人們不僅要求水果營養豐富,而且對其外觀品質提出了更高要求。消費市場上常把獼猴桃分為綠心、黃心和紅心,經濟價值不一。這也意味著,了解果實色澤性狀形成的分子基礎、發掘色澤艷麗的獼猴桃品種資源具有重要的理論意義和實際應用價值。

劉永勝介紹,中國消費者喜歡紅肉偏甜,而西方消費者喜食黃肉偏酸或酸甜適中。總的來說,獼猴桃商業化品種基本要求外形美觀,比如大小適中、金黃色、卵圓形等,還要風味獨特、耐儲運等。

“紅心獼猴桃含有大量類黃酮和花青素等生物活性物質,具有很高的抗氧化能力,營養價值極高,風味獨特,深受消費者喜愛。科研工作者往往關注其合成和調控的機理及相關的功能基因。”劉永勝說。

那么,紅心獼猴桃為什么紅?該團隊關于獼猴桃功能基因組的研究,揭示了備受關注的紅心獼猴桃花青素代謝調控的分子機理。

研究人員選取的紅心獼猴桃品種叫“紅陽”,由四川省自然資源研究院選育,是我國第一個商業化、國際化、大規模種植的紅心獼猴桃品種。

研究人員首先利用組學技術找到與花青素代謝相關的差異表達候選基因,包括8個轉錄因子和2個結構基因。再利用轉錄激活基因瞬時表達系統確定轉錄因子AcMYB123和AcbHLH42的協同表達是紅心獼猴桃內果肉花青素合成代謝必不可少的前提條件。

雙分子熒光和免疫共沉淀實驗也證明AcMYB123與AcbHLH42能夠形成復合體。RNA干涉(RNAi)實驗顯示,敲除兩個中的任何一個會導致獼猴桃果實喪失積累花青素的能力。

緊接著,研究人員用異源瞬時表達系統和穩定遺傳轉化技術證明,無論是煙草、獼猴桃或是擬南芥模式系統,只有同時表達AcMYB123和AcbHLH42兩個轉錄因子才可能誘導大量花青素的合成和積累。

有趣的是,研究人員發現AcbHLH42還可與另一個獼猴桃花青素轉錄調控因子AcMYBF110互作形成復合體,并促進花青素的合成和積累。

劉永勝表示,該項研究的意義在于發現了兩組轉錄因子復合體參與調控紅心獼猴桃花青素合成和積累,揭示了花青素組織特異性積累的分子機制,并為獼猴桃品質改良分子設計育種提供了重要的基因資源和新的技術途徑。

目前我國獼猴桃育種和產業仍面臨著不少挑戰,劉永勝希望,以團隊獼猴桃基因組學和功能基因組學的科研優勢為國家獼猴桃產業發展再助力。

相關論文信息:

DOI:10.1038/ncomms3640

DOI:10.1111/tpj.14330

DOI:10.1093/gigascience/giz027

《中國科學報》 (2019-04-16 第5版 農業科技)
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