楸子的遗传起源及其胁迫耐受性的基因组学研究

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苹果(Malus×domestica Borkh.)作为最具代表性的温带水果之一,不仅具有极高的营养价值,而且具有重要的文化属性和经济价值。目前,我国苹果种植面积和产量均居世界首位,是名副其实的苹果生产大国。然而我国却并非苹果生产强国,我国仍然面临着主栽品种单一、缺乏优良矮化砧木等问题。我国苹果产业的高质量发展离不开优良的矮化砧木,而现有的苹果矮化砧木普遍存在抗性较弱的问题,加快矮化砧木的遗传改良和培育,对于苹果产业的高质量发展具有重要意义。我国苹果种质资源非常丰富,以富平楸子(Malus prunifolia‘Fupingqiuzi’)为代表的我国原产的乔化砧木,具有树势强健、根系分布深广、嫁接亲和性好及耐寒、耐旱、耐盐碱、抗病等多种优良特性。本研究利用多种测序技术完成了富平楸子的基因组序列的测序与组装分析,并通过比较基因组学分析了富平楸子抗性基因的来源;基于群体重测序的数据对楸子的遗传起源进行了深入的分析,证明了楸子的杂交起源的演化历史;通过本砧和异砧嫁接的多组学联合分析,揭示了富平楸子(砧木)增强接穗(金冠)的抗性机理,为抗逆矮化砧木的选育提供了基因资源和理论基础。主要研究结果如下:(1)富平楸子高质量基因组的组装和注释。利用Illumina测序、Pac Bio测序和Hi-C测序相结合的混合组装策略获得高质量的染色体级的富平楸子基因组,组装大小约为712 Mb,注释到44,997个蛋白质编码基因,其BUSCO完整度达95.1%。(2)富平楸子的抗性基因来源与基因家族扩张和物种特异性基因形成等相关。基于比较基因组学和功能富集分析发现,富平楸子中扩张的基因家族和物种特异性基因与富平楸子抵御生物和非生物胁迫密切相关,这为富平楸子的抗性基因形成提供了重要证据。(3)楸子(Malus prunifolia)的遗传起源是来自塞威士苹果(M.sieversii)和山定子组苹果(Malus Section Baccatus)的遗传混合。群体基因组学分析研究发现,楸子与塞威士苹果和山定子组苹果具有非常近的亲缘关系,而且楸子中存在来自塞威士苹果和山定子组苹果的遗传渗入。此外,群体的溯祖模拟证实了楸子是塞威士苹果和山定子组苹果的杂交起源,成种时间约为距今3-5万年。(4)富平楸子作砧木改变了接穗(金冠)的DNA甲基化模式和转录表达水平,增强了接穗(金冠)的抗性。对本砧嫁接(金冠作接穗嫁接到金冠砧木、富平楸子做接穗嫁接到富平楸子砧木)和异砧嫁接(富平楸子作砧木,金冠做接穗)进行干旱、高温、冷冻、病菌侵染等非生物和生物胁迫处理,发现异砧嫁接的接穗(金冠)比本砧嫁接的接穗(金冠)具有更强的抗性。对本砧和异砧嫁接植物进行干旱处理,并进行了接穗的DNA甲基化和转录组分析。在对照及干旱处理下,与金冠做砧木相比,富平楸子作砧木均导致接穗(金冠)整体DNA甲基化模式的改变并引起与逆境适应相关的基因转录表达的差异。干旱下异砧嫁接的接穗中Md LECRK3基因的甲基化水平显著降低,而其转录水平显著升高,且Md LECRK3在烟草中的瞬时表达增强了烟草叶片的失水速率,表明其在富平楸子作砧木介导的接穗抗旱中起了一定作用。另外,干旱处理后,本砧与异砧嫁接的富平楸子(砧木)之间鉴定到3102个干旱响应差异表达基因(其中1217个源自塞威士苹果,1147个源自山定子),这与富平楸子的杂交起源相吻合,表明塞威士苹果和山定子两者对富平楸子的抗性形成均有贡献。本研究对富平楸子完成了高质量基因组组装和注释,为开展富平楸子的功能基因组学研究奠定了基础;楸子类的杂交起源为进一步理解中国苹果演化提供了新见解;所鉴定到的与嫁接介导抗性相关的重要基因,为自主培育矮化抗逆砧木提供了理论依据和基因资源。
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