甜橙芽變（體細胞變異）群體的表型。徐強供圖
記者 李晨
冰糖橙、錦橙、甜橙、血橙、夏橙……這些酸甜度不同的橙子在植物分類學中都屬于甜橙。世界上甜橙的基因組背景完全一致，風味多樣的品種主要來源于體細胞變異。
近日，《自然—植物》在線發表了華中農業大學園藝林學學院教授徐強課題組構建的高質量甜橙參考基因組。他們首次闡明了甜橙體細胞變異的基因組基礎，為芽變機制提供了理論支撐，同時也為果實風味育種提供了基因資源。
果實品質是甜橙選育的主要因素
論文通訊作者徐強介紹，我國是世界上柑橘屬植物的起源演化中心之一，擁有豐富的種質資源。大部分低酸芽變材料分布在亞洲地區。甜橙在歷史上數次從中國經過海上絲綢之路、陸地茶馬古道等向外傳播。
“果實風味是鮮食水果品系市場價值的重要因素，而野生柑橘資源或原始材料大多是高酸材料。”徐強說，近現代的果樹芽變育種主要關注果實中檸檬酸的變異，柑橘馴化過程中主要是降低了檸檬酸含量而改良了口感。
論文第一作者、華中農業大學園藝林學學院的王淪說，經過長期栽培和選育，柑橘有豐富的品種資源和變異類型，柑橘新品種也不斷涌現。例如，地中海地區選育的柑橘品種大部分是中等酸度的品種。
研究發現，基因組中造成甜橙芽變品種果實檸檬酸降低的遺傳因子主要是由轉座子引起。“通過研究大規模的體細胞芽變品系與低酸的關聯，可以為培育低酸的柑橘品種提供新思路。”徐強說。
影響甜橙風味的體細胞變異
徐強介紹，大多數果樹是無性繁殖的，無性繁殖能夠固定雜交優勢，迅速擴大群體，因而，基于體細胞變異的芽變育種就成為果樹重要的育種途徑。據統計，甜橙所屬的柑橘家族60%的品種來源于芽變育種，而80%的甜橙品種來源于芽變育種。
甜橙在全世界114個國家栽培，絕大多數品種來源于體細胞變異。“同時，由于甜橙具有無融合生殖的特點，自然條件下進行嚴格的無性繁殖，所以成為了體細胞變異研究的模式物種。”徐強說。
王淪解釋說，真核生物每次細胞分裂，遺傳物質DNA復制和修復過程中有一定概率產生突變。除了生殖細胞，體細胞數量龐大，也會產生變異。在人類疾病中，體細胞變異累積與癌癥發生密切相關。在植物中，體細胞變異可以傳遞給下一代，然而人們對植物體細胞變異認知較少。盡管如此，在果樹育種中，體細胞變異被廣泛用于芽變選種。
王淪表示，體細胞突變使得果實形態、顏色、酸度、成熟期，花器官的育性、花期變化，樹體結構等方面表現出豐富多樣的表型。
檸檬酸是柑橘果實風味的關鍵因子，該團隊前期研究發現，糖酸比是柑橘果實風味的決定因子。
論文并列第一作者、博士生劉子昂介紹，收集到的114個甜橙芽變材料的果實檸檬酸含量變化十分顯著，如我國湖南南部收集到的自然高酸甜橙，其果實的酸含量接近于檸檬，而無酸甜橙的檸檬酸含量接近0。
“尋找體細胞變異是研究芽變機制的重要方式。”徐強說，但是，高精度的體細胞變異檢測難度很高，這為研究無性繁殖群體的群體演化帶來了困難。
徐強認為，對于植物，覆蓋全基因組的體細胞變異檢測和位置精準預測是打開芽變研究的“金鑰匙”，可揭示各種重要芽變的“真面目”。
如何提高變異位點的預測精度
“甜橙為橘柚雜交后代，基因組高度雜合。高質量基因組可以促進高質量體細胞變異的檢測。”徐強告訴《中國科學報》，為解析甜橙體細胞變異的遺傳基礎，挖掘影響果實酸味的關鍵基因，他們采用了芽變群體結合基因組學的策略，提高了體細胞變異位點的預測精準度。
首先，該團隊建立了高質量的甜橙參考基因組，將組裝的序列掛載到甜橙的9條染色體上，平均每條染色體僅包含3個缺失。他們共鑒定出29875個基因。“該基因組為目前柑橘屬最好的基因組，其質量在所有果樹基因組中位居前列。”論文并列第一作者黃躍說。
他們還完成了5個甜橙芽變系的基因組，通過基因組比較，發現芽變系之間存在大片段的結構變異，并進一步鑒定到877個轉座子跳躍事件。這些轉座子在低酸和無酸的突變體中插入到相關基因中，從而影響了果實的pH值及檸檬酸含量。
其次，他們收集到114個甜橙芽變群體。“數量豐富，覆蓋國內外各種芽變資源，對芽變研究具有足夠的代表性。”論文作者、西南大學柑橘研究所研究員江東說，這些品種包括我國南方栽培歷史悠久的地方品種、來源于地中海沿岸以及美洲的栽培品種。
通過分析和鑒定，該團隊確定了這些芽變材料為嚴格的克隆材料。“背景相似度高達99.99%，沒有發生雜交事件，沒有染色體重組，基因組之間的差異僅僅來源于體細胞變異。”王淪說。
接著，他們開發了適合甜橙芽變群體的大數據分析方案。王淪介紹，他們將114個甜橙材料隨機分成4組。通過構建群體比較模型，精細挑選了體細胞變異在基因組中的信號，基于統計分析的顯著性篩選高質量的候選變異，將變異信號范圍縮小。
最后，基于以上結果設計PCR實驗驗證了轉座子在芽變品種中的多態性。“結果表明驗證率達87%以上，一步一步將預測結果變為實際可用的數據。”徐強說，這些數據將成為甜橙群體研究的重要基礎數據，為研究甜橙克隆進化規律、芽變機制，無性繁殖作物育種等提供可靠的數據庫。
同時，他們的研究結論也支撐甜橙在歷史上的傳播路線，并在地中海品種和美洲品種中檢測到了更多的體細胞變異。
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