北京時間2023年10月2日，《自然·遺傳學(xué)》雜志在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院、果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室徐強(qiáng)教授團(tuán)隊的研究論文“Pangenome analysis provides insight into the evolution of the orange subfamily and a key gene for citric acid accumulation in citrus fruits”。該研究揭示了柑橘屬和柑橘亞科的起源和演化歷程，繪制了柑橘亞科的泛基因組圖譜，鑒定了調(diào)控柑橘果實檸檬酸積累的關(guān)鍵基因，對認(rèn)識植物果實積累檸檬酸的分子調(diào)控機(jī)制具有重要科學(xué)意義，同時為果實風(fēng)味育種提供了重要基因資源。

  柑橘是全球和我國最重要的果樹之一，2022年中國柑橘種植面積超過4500萬畝，產(chǎn)量超過5500萬噸，柑橘產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興事業(yè)中發(fā)揮重要作用。培育優(yōu)質(zhì)高效的柑橘新品種，不僅是科學(xué)研究的重要目標(biāo)，也是產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

  中國柑橘栽培已有4000多年的歷史，最早在《禹貢》一書中已有“淮海惟揚(yáng)州，厥包橘柚錫貢”的記載。中國柑橘種類繁多，種質(zhì)資源豐富，是世界柑橘的多樣性中心，有許多學(xué)者提出中國是全球柑橘的起源中心，但由于以往的研究主要局限于橘、橙、柚、檸檬等在世界范圍內(nèi)廣泛種植的商業(yè)品種，缺乏對柑橘野生種和近緣種資源的系統(tǒng)認(rèn)識，限制了對柑橘起源、進(jìn)化的研究，對于柑橘的起源地一直缺乏確鑿的證據(jù)。

  研究團(tuán)隊對全球和中國各地的柑橘資源歷經(jīng)10余年調(diào)查，在全球范圍內(nèi)收集了312份柑橘亞科種質(zhì)資源的全基因組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了柑橘亞科的系統(tǒng)進(jìn)化樹，同時結(jié)合歷史地理位置推斷和物種多樣性分布，推測古印度板塊可能是柑橘亞科的起源中心。通過對基因組遺傳信息的深入分析，研究人員重新界定了柑橘屬包含15個種，其中包括本研究在中國新發(fā)現(xiàn)的兩個種。通過對中國野生柑橘資源深入調(diào)查和群體結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)柑橘屬中進(jìn)化地位最早的物種分布在中國南部，并且多樣性最高，據(jù)此推測中國南部則可能是柑橘屬的初生起源中心。喜馬拉雅山東南麓和澳大利亞及附近島嶼則是柑橘的兩個次生分化中心。

  研究人員進(jìn)一步對12個柑橘亞科的代表種進(jìn)行了測序組裝，并結(jié)合已發(fā)表的6個柑橘屬基因組，構(gòu)建了柑橘亞科的泛基因組圖譜。對柑橘亞科基因組的序列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子含量和基因組大小之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系，其中solo LTR的含量對基因組大小具有重要貢獻(xiàn)。轉(zhuǎn)錄組分析和人工雜交群體檢測結(jié)果顯示，有性雜交過程中LTR-TEs能夠發(fā)生重組形成solo LTR并影響鄰近基因的表達(dá)。

  檸檬酸及檸檬酸循環(huán)是植物最基礎(chǔ)代謝產(chǎn)物和能量循環(huán)。柑橘是植物界非常有名的果實積累異常高的植物，歷史上曾經(jīng)被用來檸檬酸的生產(chǎn)。檸檬酸作為柑橘果實中的主要有機(jī)酸，其含量高達(dá)柑橘果實有機(jī)酸的90%以上。解析柑橘果實檸檬酸積累的分子基礎(chǔ)，對于理解檸檬酸積累機(jī)理具有重要科學(xué)意義。柑橘屬栽培物種的果實風(fēng)味表現(xiàn)出多樣化，如檸檬和葡萄柚偏酸，蜜橘非常甜，部分甜橙、柚和橘突變類型甚至無酸，發(fā)掘控制果實酸味的關(guān)鍵決定因子，對于培育不同風(fēng)味的柑橘新品種具有重要現(xiàn)實意義。本研究拓寬了對柑橘亞科植物積累檸檬酸的認(rèn)識，我們已知栽培柑橘果實檸檬酸含量呈現(xiàn)較大的差異，野生柑橘屬植物果實檸檬酸含量均很高，有趣的是，柑橘近緣種部分類型(含野生資源)果實并不積累檸檬酸。研究人員利用柑橘亞科的泛基因組圖譜并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定到一個包含R2R3 Myb結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子CitPH4.該基因在柑橘屬植物果實具有較高的表達(dá)水平，而在柑橘屬之外的近緣屬中幾乎不表達(dá)，且該基因的序列在柑橘屬和柑橘近緣屬中高度分化，同時，該基因表達(dá)水平和檸檬酸的含量呈顯著正相關(guān)。在早花柑橘山金柑中敲除該基因，發(fā)現(xiàn)檸檬酸含量和下游靶基因的表達(dá)量均顯著降低;而超量表達(dá)該基因，檸檬酸含量及靶基因的表達(dá)量均顯著提高。進(jìn)一步通過生化互作實驗證明，CitPH4通過結(jié)合并激活液泡膜質(zhì)子泵基因PH5調(diào)控柑橘液泡酸化進(jìn)而促進(jìn)檸檬酸積累。這些結(jié)果表明，CitPH4可以作為柑橘果實風(fēng)味改良的關(guān)鍵基因，對于柑橘優(yōu)質(zhì)育種具有重要價值。

  鄧秀新院士參與指導(dǎo)了本研究開展，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院岳建強(qiáng)、高俊燕、王紹華，湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院陳鵬、楊水芝、曾斌等老師，以及來自澳大利亞昆士蘭農(nóng)業(yè)和漁業(yè)部門的Malcolm Smith和美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Ray Ming等多位老師參與完成了該研究。徐強(qiáng)教授為該論文的通訊作者，我校博士后黃躍、已畢業(yè)博士何佳鮮、博士后徐遠(yuǎn)濤和鄭偉康為論文的共同第一作者。該研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、湖北洪山實驗室基金、云南省特別項目、湖北省重點項目以及國家博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目的資助。

  英文摘要：

  The orange subfamily (Aurantioideae) contains several Citrus species cultivated worldwide, such as sweet orange and lemon. The origin of Citrus species has long been debated and less is known about the Aurantioideae. Here, we compiled the genome sequences of 314 accessions, de novo assembled the genomes of 12 species and constructed a graph-based pangenome for Aurantioideae. Our analysis indicates that the ancient Indian Plate is the ancestral area for Citrus-related genera and that South Central China is the primary center of origin of the Citrus genus. We found substantial variations in the sequence and expression of the PH4 gene in Citrus relative to Citrus-related genera. Gene editing and biochemical experiments demonstrate a central role for PH4 in the accumulation of citric acid in citrus fruits. This study provides insights into the origin and evolution of the orange subfamily and a regulatory mechanism underpinning the evolution of fruit taste.

2023年10月2日

來源：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)南湖新聞網(wǎng)