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(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院教授徐強課題組構(gòu)建的高質(zhì)量的甜橙參考基因組。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(zhì)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(zhì)資源。大部分低酸芽變材料分布在亞洲地區(qū)。甜橙在歷史上數(shù)次從中國經(jīng)過海上絲綢之路、陸地茶馬古道等傳播到外地。

　　據(jù)報道，最初被波斯（今伊朗地區(qū)）、地中海地區(qū)商人引進的中國甜橙是高酸類型，這類高酸的果實易于長途儲運但風味不好。“或許與果實的品質(zhì)有密切關(guān)系。”論文第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院王淪說，在長途海運中，為防治壞血酸癥，醫(yī)生建議食用甜橙補充維生素C。而由于當時保鮮技術(shù)的限制，最初的甜橙應該是耐儲存的高酸品種。后來從中國引進了酸含量中等、風味更好的甜橙類型。隨后，甜橙群體數(shù)次經(jīng)過海運、陸運到達世界各地，

　　“人們對果實品質(zhì)尤其關(guān)注，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?！毙鞆娬f，近現(xiàn)代的果樹芽變育種主要關(guān)注果實中檸檬酸的變異，柑橘馴化過程中主要降低了檸檬酸含量而改良了口感。

　　王淪說，經(jīng)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(xiàn)。例如，地中海地區(qū)選育的柑橘品種大部分是中等酸度的品種。

　　研究發(fā)現(xiàn)，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于轉(zhuǎn)座子引起?！巴ㄟ^大規(guī)模的體細胞芽變品系與低酸的關(guān)聯(lián)研究，可以為培育低酸的柑橘品種提供新思路?！毙鞆娬f。

　　影響甜橙風味的體細胞變異 

　　徐強介紹，大多數(shù)果樹是無性繁殖的，無性繁殖能夠固定雜交優(yōu)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育種途徑。據(jù)統(tǒng)計，甜橙所屬的柑橘家族60%的品種來源于芽變育種，而80%的甜橙品種都來源于芽變育種。

　　甜橙在全世界114個國家栽培，絕大多數(shù)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。

　　論文第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院王淪解釋說，真核生物每次細胞分裂，遺傳物質(zhì)DNA復制和修復過程中有一定概率產(chǎn)生突變。除了生殖細胞，體細胞數(shù)量龐大，也會產(chǎn)生體細胞變異。在人類疾病中，體細胞變異累積與癌癥發(fā)生密切相關(guān)。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，體細胞變異被廣泛利用于芽變選種。

　　王淪告訴《中國科學報》，體細胞突變使得果實形態(tài)、顏色、酸度、成熟期，花器官的育性、花期變化、樹體結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)出豐富多樣的表型。

　　檸檬酸是柑橘果實風味的關(guān)鍵因子，該團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，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，甜橙114個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為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制造了困難。

　　徐強認為，對于植物，覆蓋全基因組的體細胞變異檢測和精準預測位置是打開芽變研究的“金鑰匙”，可以為后期芽變材料的分子標記設計，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(zhì)量基因組可以促進高質(zhì)量體細胞變異的檢測。”徐強告訴《中國科學報》，為了解析甜橙體細胞變異的遺傳基礎，挖掘影響果實酸味的關(guān)鍵基因，他們采用了芽變?nèi)后w結(jié)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(zhì)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。

　　“目前，該基因組為目前柑橘屬最好的基因組，其質(zhì)量在所有果樹基因組中也位居前列?！闭撐牟⒘械谝蛔髡唿S躍說。

　　同時，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(fā)現(xiàn)芽變系之間存在大片段的結(jié)構(gòu)變異，多達2321個。進一步鑒定到877個轉(zhuǎn)座子跳躍事件。這些轉(zhuǎn)座子在低酸和無酸的突變體中插入到相關(guān)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?nèi)后w，“數(shù)量豐富，覆蓋國內(nèi)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，這些品種包括位于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?！氨尘跋嗨贫雀哌_99.99%，沒有發(fā)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?！蓖鯗S說。

　　接著，他們開發(fā)了適合甜橙芽變?nèi)后w的大數(shù)據(jù)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(gòu)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(tǒng)計分析的顯著性篩選高質(zhì)量的候選變異，將變異信號范圍縮小。

　　最后，基于以上結(jié)果設計PCR實驗驗證了轉(zhuǎn)座子在芽變品種的多態(tài)性?！敖Y(jié)果表明，驗證率達87%以上，一步一步將預測結(jié)果變?yōu)閷嶋H可用的數(shù)據(jù)。”徐強說，這些數(shù)據(jù)成為甜橙群體研究的重要基礎數(shù)據(jù)，為研究甜橙克隆進化規(guī)律、芽變機制、無性繁殖作物育種等提供了可靠的數(shù)據(jù)庫支持。

　　同時，他們的研究結(jié)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檢測到了更多的體細胞變異。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00941-x