PBJ | 美国康奈尔大学费章君团队解析西瓜属超级泛基因组揭示了西瓜的进化和驯化历程

栽培西瓜的遗传基础较为狭窄，主要集中在果实品质性状的驯化和育种上。苦或无味的野生西瓜，如饲用西瓜(C. amarus)，黏籽西瓜(C. mucosospermus)和药西瓜(C. colocynthis)，已被用于西瓜育种中，赋予现代品种抗病性。这些野生近缘种提供了栽培西瓜缺乏的额外功能重要基因和等位基因，是拓宽栽培西瓜改良潜力的宝贵资源。然而，由于野生西瓜品种的基因组序列的缺乏，野生近缘种在西瓜育种中的利用受到了极大的限制。

2023年7月25日，美国康奈尔大学的费章君教授课题组在国际著名期刊《Plant Biotechnology Journal上》发表了一篇题为“A Citrullus genus super-pangenome reveals extensive variations in wild and cultivated watermelons and sheds light on watermelon evolution and domestication”的简报。

在这项研究中，作者组装了三种野生西瓜的高质量参考基因组。分别选取3份野生材料黏籽西瓜USVL531-MDR、饲用西瓜USVL246-FR2和药西瓜PI 537277进行基因组测序，其中对USVL531-MDR选用PacBio CLR平台进行测序，USVL246-FR2和PI 537277用Illumina平台测序。随后分别对测得的数据进行de novo组装并获得染色体水平组装结果。综合的质量评估表明了组装的高质量性。repeat-masked集合对蛋白质编码基因进行了注释。6个西瓜参考基因组（本研究组装的3个和已发表3个）共预测到21 676 ~ 22 764个蛋白质编码基因。比较基因组分析显示，药西瓜与 栽培西瓜(C. lanatus), 饲用西瓜和黏籽西瓜相比，在1和4号染色体存在较大的染色体间重排。此外，药西瓜的4号染色体与甜瓜的8号染色体间也有着较大的共线性区域(图1a)，表明药西瓜可能携带了祖先染色体核型，且推测的染色体断裂和融合事件发生在约4.54-2.41百万年前，该时间点处于药西瓜与其他西瓜分歧之后但在饲用西瓜与黏籽西瓜和栽培西瓜的分歧之前。

图1. 西瓜属超级泛基因组揭示了野生和栽培西瓜间的差异。(a)甜瓜和西瓜品种基因组间的共线性。(b) 4个西瓜种间的直系同源基因分布。(c)地方品种和科尔多凡甜瓜间的驯化清除检测。(d)不同西瓜群体中ClTST2基因周围基因组区域的核苷酸多样性。(e)携带ClTST2两种不同等位基因的果实的甜度比较。

紧接着，作者对201份野生西瓜进行了重测序。结合参考基因组和已有重测序数据，547份西瓜材料被用于西瓜超级泛基因组构建，其中包括349份栽培西瓜(243份栽培品种，88份地方品种和18份科尔多凡瓜品种)，31份黏籽西瓜品种、131份饲用西瓜何36份药西瓜。首先构建了4个物种水平的泛基因组，每个泛基因组均包含物种特异性参考序列，其中栽培西瓜、黏籽西瓜、饲用西瓜和药西瓜的非冗余新序列分别为24.5 Mb、15.6 Mb、18.3 Mb和42.4 Mb，其中包含物种特异性参考基因组中缺失的2288个、583个、1922个和2521个新基因。基于不同物种基因间的同源关系(基因到基因)和对齐的基因与未预测基因的基因组区域间的同源关系(基因到定位)，将4个物种水平的泛基因组组合成一个超级泛基因组。共获得34 910个直系同源组，其中共线性直系同源类群有33 697个，非共线性直系同源类群有1166个，物种特异性群47个，单基因3145个。共有28 607个(75.2%)直系同源类群包含所有4个物种的基因或序列，其中27 438个(95.9%)在每个物种中有一个基因或一个位置(1:1:1:1)。

每份西瓜材料的重测序数据比对到自身物种的泛基因组，以检测基因的存在/缺失变异(PAVs)。在西瓜属超级泛基因组中，核心基因的含量为63.7%(24 235个基因)，远低于物种泛基因组(栽培西瓜、黏籽西瓜、饲用西瓜和药西瓜的含量分别为85.6%、97.2%、90.0%和88.7%)，说明4个物种之间存在着不同的遗传构成。在西瓜种间或群体间鉴定出不同出现频率的基因，其中包括在西瓜驯化和改良过程中被选择的基因。鉴定出了17个抗病相关基因，这些基因在西瓜基因库中不存在或以低频率存在，但是至少一个野生物种基因库中以高频率存在。

作者也对栽培西瓜与其的推测的祖先科多凡甜瓜的基因组序列进行比较，共鉴定出123个驯化清除区域，其累积长度为17.62 Mb，包含399个注释基因，其中107个位于果实品质QTLs。科尔多凡甜瓜果肉可溶性固形物含量(SSC)在0.2 ~ 3.2°白利糖度时不甜。糖转运蛋白ClTST2调节西瓜果肉中的糖积累。SSC最高的科尔多凡甜瓜品系携带ClTST2串联重复基因。与科尔多凡甜瓜相比，地方品种ClTST2基因组区域的遗传多样性降低。这种ClTST2串联重复成为地方品种的显性等位基因(86个品种中有70个;81.4%)，在品种上基本固定(245份中238份;97.1%)。携带ClTST2串联重复的品种的果肉SSC水平显著高于仅携带一个拷贝的品种。这些结果表明，ClTST2串联重复存在于野生西瓜群体中，可能是由于其在促进果实糖积累方面的重要作用而在驯化过程中被选择的。

15个科尔多凡甜瓜品种成熟果实

总的来说，西瓜超级泛基因组为西瓜的进化和驯化提供了见解，并为研究人员和育种者挖掘和利用栽培和野生西瓜物种的基因提供了综合资源。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14120

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！