项目文章丨白果草莓T2T单倍型基因组揭示栽培草莓果实颜色形成的复杂机制

 

栽培草莓（Fragaria × ananassa, 2n = 8x = 56）具有重要经济价值和营养价值。由于栽培草莓是异源八倍体基因组，具有频繁的同源交换和多倍化，因此，栽培草莓的改良具有很大的挑战性。一个高质量的栽培草莓基因组将为农业基因育种提供重要信息。

2024年9月，Plant Biotechnology Journal发表了沈阳农业大学辽宁省草莓育种与栽培重点实验室完成的题为“A telomere-to-telomere haplotype-resolved genome of white-fruited strawberry reveals the complexity of fruit colour formation of cultivated strawberry” 的研究论文。万摩科技承担了本研究的测序和分析相关工作。

文章原名：A telomere-to-telomere haplotype-resolved genome of white-fruited strawberry reveals the complexity of fruit colour formation of cultivated strawberry

文章译名：白果草莓T2T单倍型基因组揭示栽培草莓果实颜色形成的复杂机制

发表时间：2024年9月20日

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

IF：10.1

 

 
 
 

研究内容

1、白果草莓T2T水平基因组组装和注释

栽培草莓具有复杂的八倍体基因组（2n = 8x = 56），其二倍体祖先多达4个，因此对栽培草莓的遗传分析极为困难。目前虽然已经组装了几个栽培草莓的基因组，但已发表的基因组仍不完整，或者没有真正的单倍型基因组。本研究中，作者结合PacBio HiFi、ONT超长和Hi-C测序以及Illumina测序数据，组装获得了白果草莓栽培种“初恋”的T2T单倍型参考基因组，并鉴定了每条染色体的着丝粒候选序列及区域。将56条染色体分为两个单倍型，Hap1和Hap2，每个单倍型包括28条染色体。Hap1和Hap2的最终基因组组装大小分别为787.52 Mb和778.03 Mb，分别为33个和34个contigs。Hap1和Hap2的contigs N50分别为27.92 Mb和26.45 Mb。通过研究端粒重复序列 (TTTAGGG)n，鉴定出Hap1中有52个端粒，Hap2中有50个端粒。

 

作者采用BUSCO评估基因组完整性和准确性，Hap1和Hap2分别为99.01%和99.26%，表明基因组具有良好的覆盖度和完整性。Hap1和Hap2中分别注释到110,001个和108,859个蛋白编码基因。此外，在Hap1和Hap2中分别预测到5,864和5,830个转录因子。

图1  “初恋”草莓的基因组特征和花青素缺失表型

 

2、草莓基因组共线性分析

作者对“初恋”草莓的Hap1和Hap2进行共线性分析，研究两个单倍型基因组的变异。分析共得到16,315个共线性片段，总计约631 Mb，分别覆盖Hap1和Hap2基因组的92.82%和93.96%。由于“初恋”草莓与优质栽培草莓“艳丽”具有不同的表型，如：果实颜色、硬度和抗白粉病能力，作者将“初恋”与栽培草莓“艳丽”进行了比较。比较结果显示，“初恋”和“艳丽”的单倍型基因组也具有高度的相似性和共线性。将“初恋”的Hap1和Hap2与“艳丽”的Hap1和Hap2进行比较，分析结构变异（SVs）的数量、长度范围以及每条染色体最大SVs的位置。结果显示两者的SVs数量差异不大，但“初恋”中一些SVs位于基因编码区和启动子区域，这些基因与抗病性相关，例如受体蛋白激酶、TIR-NBS-LRR类蛋白、几丁质酶和假定的抗白粉病蛋白。此外，与“艳丽”相比，“初恋”许多转录因子（WRKY、MYB、MADS-box、bHLH、ERF、bZIP 等）的 SVs 位于外显子和启动子区域。然而，这些转录因子的功能有待进一步研究。

图2  草莓“初恋”和“艳丽”的基因组结构变异（SVs）

 

3、花青素合成基因FaMYB10分析研究

由于花青素积累损失，“初恋”的果肉呈白色。为了确定导致“初恋”果肉呈白色的候选基因，作者利用基因组序列对“初恋”和“艳丽”的花青素合成基因FaMYB10进行研究。发现“初恋”chr1-2-1上FaMYB10编码区存在8个核苷酸 ”ACTTATAC” 的插入，导致蛋白质截断，无法正常激活花青素合成途径。chr1-2-2上FaMYB10编码区存在单核苷酸突变 (C to A)，导致组氨酸 (H) 替换为天冬酰胺 (N)，可能影响其功能，导致花青素合成途径的激活程度降低，果肉颜色变浅。另外，研究发现，将“初恋”草莓中位于chr1-2-2染色体上的FaMYB10基因及其启动子[Pro-CL-FaMYB10(1–2-2)]导入后，并没有恢复“初恋”草莓的花青素缺乏表型。相反，将“艳丽”草莓中位于同一位置的FaMYB10基因及其启动子[Pro-YL-FaMYB10(1–2-2)]导入“初恋”草莓后，成功恢复了花青素缺乏表型。其次，与对照果实相比，导入Pro-YL-FaMYB10(1–2-2) 的果实中，一些花青素生物合成基因的表达水平有所提高。这些结果表明，“初恋”草莓中位于chr1-2-2染色体上的FaMYB10基因的点突变影响了其功能，具体分子机制还需进一步研究。综上，chr1-2-1染色体上的FaMYB10基因的8-bp插入和chr1-2-2染色体上的FaMYB10基因的点突变是导致“初恋”草莓白果表型的主要原因。

图3  花青素生物合成基因的表达分析

 

栽培草莓是具有四个亚基因组的异源八倍体物种。不同亚基因组的基因表达存在差异，在许多异源多倍体物种中检测到显性基因表达模式。在“初恋”草莓果实发育过程中，chr1-2上的FaMYB10是显性表达基因。在光照条件下，“初恋”草莓的果皮积累花青素并变红。作者对光照和遮阴条件下的成熟果皮进行RNA-seq分析，共检测到5,265个差异表达基因。2,215个基因上调表达，3,050个基因下调表达。KEGG分析显示差异表达基因主要涉及植物激素信号转导、植物生物钟、内质网蛋白质加工和黄酮代谢途径。光照处理后，位于chr1-4的 FaMYB10 基因表达水平显著增加，位于chr1-2的FaMYB10基因表达水平没有显著变化。与位于chr1-2的 FaMYB10 基因相比，位于chr1-4的FaMYB10基因的启动子区域包含更多光响应元件以及水杨酸和茉莉酸甲酯元件，这可能是光照激活其表达的原因。光照处理后，导入FaMYB10 (chr1-4) 基因和其启动子（Pro-YL-FaMYB10(1–2-2)）的“初恋”果实恢复了花青素积累，进一步证实了光照通过激活 FaMYB10 (chr1-4) 基因的表达来促进花青素积累。

图4  光照和遮荫条件下“初恋”草莓差异表达基因火山图和kegg富集图

 

 

研究结论

本研究获得了八倍体白果栽培草莓品种“初恋”的高质量单倍型基因组。该基因组是迄今为止质量最高的草莓基因组之一，包含两个单倍型，每个单倍型包含28条染色体。研究发现，FaMYB10基因chr1-2-1编码区一个8 bp的插入和chr1-2-2上的单核苷酸突变与果实中的花青素缺失有关。光照通过激活“初恋”中 FaMYB10 (chr1-4) 基因的表达来促进果实中花青素的积累，从而影响果实颜色。上述结果为栽培草莓比较基因组分析、多倍体物种亚基因组中的基因表达模式解析以及果实颜色育种奠定了重要基础。

 

 

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