近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)作物逆境與高效生產(chǎn)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西北旱區(qū)果樹發(fā)育生物學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外多家單位，在Nature Communications上發(fā)表了題為 《Genome sequencing of 'Fuji' apple clonal varieties reveals genetic mechanism of the spur-type morphology》 的研究論文，揭示了蘋果芽變基因組學(xué)基礎(chǔ)和短枝型變異的遺傳機(jī)制。蔡鈺東、高秀華、毛江萍、劉昱、童路和陳錫龍為該論文第一作者，我校張東教授、姜雨教授、毛江萍副教授和美國康奈爾大學(xué)費(fèi)章君教授為該論文的通訊作者。
蘋果、柑橘和梨等多年生果樹產(chǎn)生體細(xì)胞變異，形成優(yōu)勢性狀，從而為芽變育種提供基礎(chǔ)。蘋果育種中超30%品種通過芽變選種培育。富士蘋果芽變品種展現(xiàn)出短枝型、著色和成熟期等優(yōu)良性狀，但對蘋果芽變的基因組基礎(chǔ)和短枝型芽變的致因變異認(rèn)識有限。
為解決蘋果高雜合度導(dǎo)致的變異檢測難題，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合Pacbio長讀長測序數(shù)據(jù)、家系數(shù)據(jù)和Hi-C數(shù)據(jù)，構(gòu)建了完全定相的高質(zhì)量二倍體基因組。該基因組將絕大多數(shù)染色體組裝到T2T級別，并首次將富士的兩套染色體分別構(gòu)建為來源于‘國光’和‘元帥’的兩組單倍體基因組（Fuji_Ral和Fuji_Del）?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于二倍體基因組的體細(xì)胞變異檢測流程，提高了序列比對質(zhì)量，降低了假陽性，成功排除了品種間共享的雜合胚系變異干擾。
研究發(fā)現(xiàn)，短枝型性狀存在于富士譜系的多個(gè)分支上，表明短枝型品種可能有不同的起源。主要短枝型品種在MdTCP11基因上游啟動子區(qū)域存在一段167 bp的雜合序列缺失，與MITE轉(zhuǎn)座元件重疊，存在甲基化修飾。短枝型品種在該區(qū)域的甲基化水平較低，MdTCP11表達(dá)量顯著升高，MITE序列的缺失能增強(qiáng)基因表達(dá)活性。過表達(dá)MdTCP11導(dǎo)致蘋果株高降低，表明MdTCP11在短枝型品種節(jié)間發(fā)育中具有重要作用。
基于以上研究，研究團(tuán)隊(duì)已成功選育多個(gè)短枝型芽變品種優(yōu)系，其中‘豐富2021’優(yōu)系正在申請國家登記，并在陜西、甘肅和新疆等地試栽表現(xiàn)良好。在沒有灌溉條件的果園，短枝型品種嫁接抗性好的喬化砧木或半矮化砧木，成為實(shí)現(xiàn)樹體矮化的有效途徑，形成了喬化短枝型的中國式矮化栽培模式，已在生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用。短枝型品種短枝比例高、易成花結(jié)果，同化產(chǎn)物更多分配到果實(shí)中，顯著提高經(jīng)濟(jì)系數(shù)，是一種低消耗高產(chǎn)出的生態(tài)友好品種。
該研究成功組裝了富士蘋果T2T級別基因組，開發(fā)了基于二倍體基因組的體細(xì)胞變異檢測流程，并構(gòu)建了74個(gè)富士芽變品種的高精度體細(xì)胞變異圖譜，為蘋果芽變品種選育和短枝型性狀遺傳改良提供了理論基礎(chǔ)。揭示了富士蘋果80余年芽變選種的基因組學(xué)基礎(chǔ)，解析了短枝型變異的遺傳學(xué)機(jī)制，為提高芽變選種效率和短枝型性狀遺傳改良提供了理論指導(dǎo)和基因資源。該項(xiàng)工作依托作物抗逆與高效生產(chǎn)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家蘋果改良中心和園藝科學(xué)研究中心等平臺完成，得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國家級人才項(xiàng)目和學(xué)校“雙一流”學(xué)科群建設(shè)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
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