2024-11-22
与植物基因组de novo测序相关的多组学联合分析再添高分文章啦~
近日，上海交通大学在《Horticulture Research》期刊发表新研究成果！中国樱桃（Prunus pseudocerasus），作为果树中重要的核果作物，其果实硬度直接影响着品质和市场竞争力。近日，一项突破性的研究通过组装单体型基因组，为解析中国樱桃果实硬度的作用机理提供了新的见解。这项研究不仅为育种工作带来了新的方向，也为未来的农业发展开辟了新的道路。
本研究的单体型基因组组装和比较基因组分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
PART/01、研究背景
中国樱桃，又称酸樱桃或山樱桃，是一种重要的果树作物，广泛种植于中国及亚洲其他地区。果实硬度不仅影响其口感，还直接关系到果实的贮藏和运输能力。长期以来，科学家们一直在努力探索控制果实硬度的遗传机制，以期通过育种技术培育出更耐贮藏、品质更优的品种。
PART/02、研究材料与方法
1.实验材料：中国樱桃
2.测序平台：Illumina、PacBio、Hi-C、ONT。
3.分析内容：单倍型基因组组装、比较基因组分析、TEM、转录组测序、亚细胞定位、转基因等。
文章研究思路图
PART/03、研究结果
甜樱桃基因组的组装和注释
PruPse（中国樱桃）基于流式预估出基因组大小为1.09Gb，是二倍体P. avium（2n=2x）基因组大小的2倍，说明中国樱桃的基因组是四倍体。基于43X的HiFi和176.35G的Hi-C数据挂载出一个305.72Mb有8条染色体的单倍体基因组。
图1 Prunus pseudocerasus形态特征与基因组组装
基因组共线性与基因家族分析
将PruPse基因组与P.avium（PruAvi）、P.persica（PruPer）和P.serrulata（PruSer）基因组进行比较，并构建了三个共线性图（图2A-C），结果表明，PruPse和三个物种分别有2757、6439和4147个强共线区块，分布在8条染色体上，表明强烈的跨物种同一性（图2D）。
图2 4个基因组的共线性分析
五个物种的基因家族分析，共有11819个基因家族，PruPse携带的特有基因家族数量最多。随后比较了PruPse和20个选定物种之间的多拷贝和单拷贝直系同源、独特旁系同源、其他直系同源和未聚类基因的计数（图3B）。在P.avium形成物种后，P.pseudocerasus中分别有2229个和4967个基因家族收缩和扩增（图3C）。值得注意的是，扩增的基因在细胞成分（CC）的“细胞壁”中最显著富集，而收缩的基因在CC的“凯氏带”中富集。
图3 比较基因组分析
中国樱桃质地柔软取决于细胞壁降解
测量两个品种在成熟果实（RF）阶段的质地相关变量（图4A），黑珍珠在质地参数（硬度和咀嚼性）的得分明显高于诸暨短柄（图4B-E）。使用扫描电镜（cryo-SEM）分析成熟果实切片发现：‘诸暨短柄’和‘黑珍珠’的外果皮细胞形状不同，前者呈方形，排列紧密，而后者呈长椭圆形，稀疏（图4F和G），这可能是由于细胞壁降解更为明显所致（图4F）。随后，分析这两个品种在小青果（SGF）、藜芦果（VF）和RF阶段果实的细胞壁成分。总体而言，这些结果表明，这两个品种的果实软化取决于细胞壁降解，两个品种之间果实硬度的差异归因于果胶、纤维素和半纤维素含量的不同程度变化。
图4 两个品种樱桃的纹理参数、微观结构和细胞壁成分比较
果实内部的显微CT解释了硬度差异
利用显微CT技术比较了“诸暨短柄”和“黑珍珠”的物理结构，分析发现，前者果实的花序梗基部和顶部存在较大的破裂（图5B），二维图像在其果实中发现了39个空隙（图5C和D）。3D重建后，伤口的破裂特征清晰可见（图5E-G）。二维图像中在“黑珍珠”果实内发现了一个致密的空隙体（图5H-J），3D重建显示，果实的花梗基部只有一处破裂，其他部位没有明显的伤口（图5K）。这些发现强调了樱桃果肉质地对冲击相关的果肉损伤程度的显著影响。
图5 两个品种的果实内部3D显微结构
GalAK-like和Stv1 可能调控樱桃果实的硬度
对这两个品种的SGF、VF和RF三个发育时期果实进行转录组测序，观察到不同发育阶段共8种表达模式（图6A）。非同源EP3和EP4基因的GO分析表明，它们在细胞壁修饰、表皮烃生物合成和初级代谢过程中显著富集（图6C）。相关网络分析结果表明，GalAK-like和Stv1在参与初级和有机物质代谢过程的基因中具有最佳的连接性（图6F）。这两个基因在“诸暨短柄”和“黑珍珠”的SGF、VF和RF发育阶段都有差异表达（图6G）。使用荧光蛋白标记的亚细胞定位显示，PpsGalAK-lik和PpsSv1主要在细胞核和细胞质中表达（图6H），与CELLO v.2.5的预测一致。
图6 GalAK-like 和 Stv1 可能调控樱桃果实的硬度
GalAK-like和Sv1通过影响果胶含量改变果实硬度
在樱桃果实中瞬时过表达PpsGalAK-like和PpsSv1（图7A）。与对照果相比，3个转基因果中PpsGalAK-like和Stv1表达均显著增加（图7C-D）。表型特征表明，转基因果的果实明显更结实（P<0.05；图7E和F）；测量了PpsGalAK-like-OE和PpsSv1-OE转基因果中细胞壁相关基因（即PL5、QRT3、β-Gal和XTH26）的表达水平。这些关键的果胶代谢相关基因在PpsGalAK-like-OE转基因果中显著上调（P<0.05；图7G-I）。总体而言，这些结果表明，PpsGalAK-like和PpsSv1通过提高原果胶含量来增强果实硬度。
图7 GalAK-like和Stv1 影响果胶含量从而改变果实硬度
PART/04、结 论
这项研究利用单体型基因组组装技术，为中国樱桃的果实硬度提供了深入的理解。主要发现包括：
成功组装了高质量的四倍体中国樱桃基因组。
鉴定了多个与果实硬度相关的基因，特别是细胞壁修饰酶基因。
通过表达谱分析，揭示了这些基因在果实发育过程中的动态变化。
这些成果不仅为理解果实硬度的遗传机制提供了重要线索，还为未来的樱桃育种和改良工作带来了巨大的潜力。具体应用前景包括：分子标记辅助育种、基因编辑技术、精准农业。
未来，随着这些技术的应用和发展，我们有理由相信，更加美味、耐贮藏的樱桃品种将很快出现在我们的餐桌上。
如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：genome_support@personalbio.cn，联系电话：021-80118168-6611）！
文章索引
Jiu, ST, et al.Haplotype-resolved genome assembly for tetraploid Chinese cherry (Prunus pseudocerasus) offers insights into fruit firmness.Hortic Res.2024 Jul 8;11(7):uhae142.
