作者：Qiong Lin, Jing Chen, Xuan Liu, Bin Wang, Yaoyao Zhao, Liao Liao, Andrew C. Allan, Chongde Sun, Yuquan Duan, Xuan Li, Donald Grierson, Julian C. Verdonk, Kunsong Chen, Yuepeng Han, Jinfeng Bi
苹果（Malus domestica）是世界上最重要的果树作物之一，其生态适应性强，受到种植者和消费者的青睐。随着人们消费习惯的改变，对果实品质和营养健康效益也越来越重视。苹果属于蔷薇科苹果属植物，据报道，栽培苹果起源于新疆赛威士苹果（M. sieversii），沿着丝绸之路传播时，获得森林苹果（M. sylvestris）等野生种的基因渗入。由于不同的杂交和渐渗过程，全世界已经报道了数千个苹果品种。除了果实的味道和大小，不同品种苹果在食用品质、贮藏特性、营养品质等方面存在差异，而果实品质特性与代谢物直接关联。基于代谢物的全基因组关联研究（mGWAS）已经用于阐明番茄、桃、水稻、枣等作物的代谢自然变异及其遗传机制，苹果的多样性使之成为研究代谢物积累遗传基础和驯化改良过程代谢组变化的“理想模型”。
该研究收集并重测序了全球范围内292份苹果材料，包括11份M. sieversii、7份M. sylvestris、19份其他野生种、38份古老种和217份代表不同族系和消费类型的栽培品种，获得2956396个高质量的单核苷酸多态性（SNP）用于遗传变异分析（图1）。分析表明，栽培苹果更接近于M. sieversii和M. sylvestris，古老种与野生种和栽培品种的分布存在一定程度的混杂，表明了古老种是野生种向栽培品种的过渡群体。
图1. 野生种、古老种和栽培苹果的基因组进化关系。（a）苹果群体的地理分布。（b）群体基因组变异的PCA分析。（c）群体系统发育树和群体结构。（d）连锁不平衡衰减模式。（e）不同组间核苷酸多样性。
基于广谱代谢组技术构建了苹果代谢物数据库，包含类黄酮、酚酸、有机酸、脂质、生物碱、单宁、氨基酸、核苷酸、糖及糖醇、萜类等2575种营养代谢物（图2）。对苹果群体代谢组进行分析，比较了不同族系差异代谢物及其品质特征，发现从野生种到栽培苹果群体中，有机酸、单宁、酚酸等代表酸涩味的代谢物含量显著减少，而“金冠”到“国光”系列苹果中溶血磷脂酰乙醇胺（LPE）含量显著增加，这可能与“国光”更耐贮有关。
图2. 不同苹果群体代谢组特征分析。（a）所有苹果群体代谢物PCA分析。（b）不同群体间代谢物的分化。（c）黄酮类化合物和酚酸含量的箱形图。（d）“国光”和“金冠”族系PCA分析。（e）大果（≥300）和小果（≤90）间的PCA分析。
基于全基因组关联分析，共鉴定出222877个与2205种苹果代谢物显著相关的SNP（图3），其中，16号染色体2.84 ~ 5.01 Mb区域存在单宁、有机酸、酚酸和类黄酮物质基因组共定位现象，表明该区域对果实品质改良具有重要意义。
图3. 代谢物关联SNP的基因组分布。圆圈分别代表氨基酸和核酸（a）、生物碱（b）、类黄酮（c）、脂质（d）、有机酸（e）、其他已知代谢物（f）、酚酸（g）、可溶性单宁（h）和未知代谢物（i）。染色体长度单位为Mb。
GWAS结果表明，原花青素A2、原花青素C1、原花青素B4等在16号染色体存在共定位现象，从候选区域1.55到5.57 Mb发现原花青素还原酶（LAR）的同源序列。此外，原花青素A2定位在15号染色体1.82 - 4.81 Mb区域，在此区间发现一个Myb9-like基因，可能具有调节花青素和原花青素代谢的作用。Myb9-like和LAR在原花青素含量高的果实中的表达水平高于原花青素含量低的果实，瞬时过表达Myb9-like和LAR的苹果果实中原花青素的水平显著高于对照，并且Myb9-like和LAR启动子的驱动下特异性激活GUS活性，表明Myb9-like可能通过促进LAR表达参与原花青素合成（图4）。
图4. 苹果驯化相关代谢物和基因鉴定。（a）单宁含量积累差异比较。（b）原花青素A2的GWAS曼哈顿图。（c）MD15G1051400和其他R2R3 MYB家族成员的系统发育树。（d-e）高低原花青素含量苹果Myb9-like和LAR表达分析。（f-g）Myb9-like和LAR在苹果中的瞬时过表达结果。（h）LAR启动子核苷酸多态性。（i）Chr16:3404850变异与原花青素含量分析。（j）Myb9-like过表达苹果LAR表达分析。（k）苹果LAR启动子的GUS活性分析。（1）果实中原花青素代谢途径。
基于LPE 18:1及其异构体GWAS分析，在12号染色体候选区域5.93到10.01 Mb发现一个编码脂肪酸去饱和酶2（FAD2）的基因。LPE 18:1含量与栽培苹果硬度密切相关，在LPE 18:1含量高和低的苹果材料中，FAD2的转录水平也存在显著差异，此外，苹果瞬时过表达FAD2导致LPE 18:1水平比对照降低。在苹果贮藏前喷施LPE 18:1，与对照相比，LPE 18:1在贮藏后第3天和第7天保持了苹果的硬度（图5）。因此，LPE 18:1积累有利于维持苹果硬度和延长贮藏寿命，而FAD2可能是抑制LPE 18:1积累的重要候选基因。
图5. 基于GWAS研究苹果LPE 18:1含量的调控。（a）“国光”和“金冠”系苹果溶血磷脂类物质含量差异。（b）LPE 18:1含量GWAS分析。（c）MD12G1057600和拟南芥FAD成员的系统发育树。（d）“国光”和“金冠”系苹果硬度。（e）驯化苹果硬度与LPE 18:1的相关性分析。（f）高、低LPE含量果实FAD2的表达分析。（g）苹果果实中FAD2的瞬时过表达。（h-i）LPE 18:1处理苹果贮藏期硬度和呼吸速率分析。（j）FAD2启动子和编码序列中的核苷酸多态性。（k）LPE 18:1含量与鉴定的核苷酸多态性。（l）“国光”和“金冠”系核苷酸多态性。
分析大小果代谢组差异，发现脱落酸（ABA）和水杨酸（SA）在小果中积累到较高水平。根据GWAS结果，在16染色体2.70到4.99 Mb区域鉴定了一个NAP基因，可能与调节SA的生物合成和果实大小有关。此外，在3号染色体30.57到32.58 Mb鉴定了ABCG25的同源序列，可能与调控植物种ABA水平有关。在苹果果实中瞬时过表达NAP后SA含量显著增加，进一步验证了NAP在SA合成中的作用。此外，瞬时过表达ABCG25苹果果实的ABA含量也显著高于对照（图6）。综上所述，SA和ABA的积累可能分别受NAP和ABCG25基因的影响，抑制了苹果果实的增大。
图6. 苹果果实大小相关代谢物含量及其调控分析。（a-c）大小果中SA和ABA含量。（d-e）SA和ABA含量GWAS分析曼哈顿图。（f）MD15G1051400和NAC家族成员系统进化树。（g-i）果实发育过程果重、SA和ABA含量变化。（j-k）大小果中NAP和ABCG25的表达分析。（l-m）苹果果实中NAP和ABCG25的瞬时过表达结果。（n）NAP启动子和编码序列的核苷酸多态性。（o）核苷酸多态性与SA、ABA含量。（q）大小果核苷酸多态性。
上述研究结果为果实驯化和品质改良提供了代谢视角，为研究果实代谢物含量和品质控制机制提供了新依据。该研究成果已于近日在Genome Biology在线发表，题目为“A metabolic perspective of selection for fruit quality related to apple domestication and improvement”。中国农业科学院农产品加工研究所农产品保鲜与物流创新团队林琼副研究员、研究生陈静、果蔬加工与品质调控创新团队刘璇研究员、迈维代谢王彬博士为论文共同第一作者，果蔬加工与品质调控创新团队毕金峰研究员为通讯作者。浙江大学孙崇德教授和陈昆松教授、新西兰植物与食品研究所/新西兰皇家科学院院士Andrew C. Allan教授、中国科学院武汉植物园廖燎副研究员和韩跃鹏研究员、荷兰瓦赫宁根大学Julian C. Verdonk助理教授、诺丁汉大学/中国工程院外籍院士Donald Grierson教授等参与了研究工作。研究得到了国家重点研发计划（2022YFD2100100）、国家苹果产业技术体系（CARS-27）、中国农科院农产品加工研究所创新工程院所重点任务（CAAS-ASTIP-G2022-IFST-02）和国家留学基金委访学项目（201903250033）的支持。
林琼
第一作者
林琼，博士，副研究员，中国农业科学院农产品加工研究农产品保鲜与物流创新团队科研骨干，所“珠峰计划”科研英才。2015年毕业于浙江大学农业与生物技术学院，同年就职于中国农业科学院农产品加工研究所；2021年赴荷兰瓦赫宁根大学访学一年。是FAO一国一品特色农产品项目专家组成员，国家苹果产业技术体系岗位团队成员。在Frontiers in Plant Science、Journal of Future Foods、Foods期刊组织园艺产品采后保鲜与冷链物流等专刊，任Agriculture Communications、《中国果菜》青年编委。
从事果蔬物流减损与品质精准调控研究工作，包括基于代谢组的果蔬品质及加工适宜性评价、果蔬采后品质调控分子机制、鲜切加工保鲜技术开发等。致力于研发果蔬保鲜减损关键技术，创制市场需求的高效保鲜剂和配套装备，解决果蔬贮运保鲜技术瓶颈与产业问题。先后主持国家自然科学基金面上项目、青年基金、国家“十三五”和“十四五”计划重点研发专项子课题、研究所“国之大者”重点科技行动专项任务等项目，参加省部级项目、行业标准及企业合作项目等10余项。以第一或通讯作者在Genome Biology，Food Chemistry，Postharvest Biology and Technology等杂志发表学术论文29篇；获得授权国家发明专利28项、实用新型专利4项，其中4项发明专利在企业转化；主编著作2本，副主编1本，参编3本；参与制定行业标准3项。
陈静
陈静，中国农业科学院硕士研究生，于2019年加入农产品加工研究所农产品保鲜与物流创新团队，研究方向为苹果代谢组及代谢途径关键基因的筛选验证。以共同一作发表文章2篇，参与编写果蔬品质及贮藏相关著作四本，参与制定行业标准2项。
刘璇
刘璇，博士，研究员，中国农业科学院农产品加工研究所果蔬加工与品质调控创新团队科研骨干，国家苹果产业技术体系质量安全与营养品质评价岗位专家，研究所“珠峰计划”、“培育英才”入选者，获“2017年度农产品加工业十佳杰出青年科技人才”荣誉称号。2009年毕业于中国农业大学，2011年就职中国农业科学院农产品加工研究所，2013-2014年赴美国马萨诸塞大学阿默斯特分校食品科学系访学1年。
主要从事果蔬加工品质形成机理与调控技术研究，包括果蔬物质基础与营养健康机理、新型果蔬液态食品制造理论与技术、果蔬资源梯次高值利用理论与技术、果蔬原料及加工制造标准与质量控制技术研究。先后主持国家自然科学基金（面上、青年）、“十三五”和“十四五”国家重点研发计划课题和子课题、公益性行业科研专项课题、国家科技支撑计划子课题、农业行业标准制修订及企业应用开发项目，在Carbohydrate Polymers、Food Hydrocolloids、Journal of Agriculture and Food Chemistry等国内外学术期刊上发表文章120余篇，其中SCI/EI收录论文50余篇，参编著作8部，参与完成鉴定成果7项，获省部级及社会力量奖10余项，参与申请专利40余件，授权20件，制修订农业行业标准7项，计算机软件著作权6项。
王彬
王彬，博士，2019年毕业于中国科学院昆明植物研究所。毕业后加入迈维代谢，致力于通过代谢组、转录组和基因组等多组学手段，解析作物驯化和遗传分子机制、群体对特殊环境的适应机制，为作物营养品质改良提供新的基因和手段。主导了多个项目的方案设计和数据分析，发表论文8篇，包括Genome Biology, The Plant Journal等重要刊物，申请或授权专利3项。
毕金峰
通讯作者
毕金峰，博士，研究员，博士生导师，中国农业科学院农产品加工研究所果蔬食品制造与营养健康创新团队首席科学家。中国农业科学院农科英才领军人才，国家桃产业技术体系桃加工岗位科学家，主要从事果蔬食品制造与营养健康理论及技术研究。团队现有科研骨干10名，其中研究员4名、副研究员2名，在读博士后、博士和硕士研究生50余名，出站博士后、毕业博士和硕士研究生100余名，近年来主持或参加国家及地方各级科研项目 60 余项，获得省部级奖励和社会力量奖 20 项，以第一或通讯作者在国内外学术期刊上发表文章 400 余篇，专著、译著或参编著作 30 余部，申请和授权国家发明专利 100余件，鉴定或评价省部级科技成果 20余项，可转让的科技成果50余项，服务企业100余家。
兼任中国食品科学技术学会休闲食品加工技术分会副主任委员兼秘书长、国家林业和草原局冻干果品国家创新联盟副理事长兼秘书长、国家农产品加工产业科技创新联盟果蔬加工与智能制造专业委员会主任委员、北京食品学会休闲食品专业委员会主任委员、农业农村部农产品加工标准化技术委员会果品加工分技术委员会委员和中国工程教育专业认证协会认证专家等。
转自：“BMC科研永不止步”微信公众号
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