近日，西北農林科技大學作物逆境與高效生產全國重點實驗室西北旱區(qū)果樹發(fā)育生物學團隊聯合國內外多家單位，在Nature Communications上發(fā)表了題為 《Genome sequencing of 'Fuji' apple clonal varieties reveals genetic mechanism of the spur-type morphology》 的研究論文，揭示了蘋果芽變基因組學基礎和短枝型變異的遺傳機制。蔡鈺東、高秀華、毛江萍、劉昱、童路和陳錫龍為該論文第一作者，我校張東教授、姜雨教授、毛江萍副教授和美國康奈爾大學費章君教授為該論文的通訊作者。
蘋果、柑橘和梨等多年生果樹產生體細胞變異，形成優(yōu)勢性狀，從而為芽變育種提供基礎。蘋果育種中超30%品種通過芽變選種培育。富士蘋果芽變品種展現出短枝型、著色和成熟期等優(yōu)良性狀，但對蘋果芽變的基因組基礎和短枝型芽變的致因變異認識有限。
為解決蘋果高雜合度導致的變異檢測難題，研究團隊結合Pacbio長讀長測序數據、家系數據和Hi-C數據，構建了完全定相的高質量二倍體基因組。該基因組將絕大多數染色體組裝到T2T級別，并首次將富士的兩套染色體分別構建為來源于‘國光’和‘元帥’的兩組單倍體基因組（Fuji_Ral和Fuji_Del）?；诖?，研究團隊開發(fā)了基于二倍體基因組的體細胞變異檢測流程，提高了序列比對質量，降低了假陽性，成功排除了品種間共享的雜合胚系變異干擾。
研究發(fā)現，短枝型性狀存在于富士譜系的多個分支上，表明短枝型品種可能有不同的起源。主要短枝型品種在MdTCP11基因上游啟動子區(qū)域存在一段167 bp的雜合序列缺失，與MITE轉座元件重疊，存在甲基化修飾。短枝型品種在該區(qū)域的甲基化水平較低，MdTCP11表達量顯著升高，MITE序列的缺失能增強基因表達活性。過表達MdTCP11導致蘋果株高降低，表明MdTCP11在短枝型品種節(jié)間發(fā)育中具有重要作用。
基于以上研究，研究團隊已成功選育多個短枝型芽變品種優(yōu)系，其中‘豐富2021’優(yōu)系正在申請國家登記，并在陜西、甘肅和新疆等地試栽表現良好。在沒有灌溉條件的果園，短枝型品種嫁接抗性好的喬化砧木或半矮化砧木，成為實現樹體矮化的有效途徑，形成了喬化短枝型的中國式矮化栽培模式，已在生產中大面積推廣應用。短枝型品種短枝比例高、易成花結果，同化產物更多分配到果實中，顯著提高經濟系數，是一種低消耗高產出的生態(tài)友好品種。
該研究成功組裝了富士蘋果T2T級別基因組，開發(fā)了基于二倍體基因組的體細胞變異檢測流程，并構建了74個富士芽變品種的高精度體細胞變異圖譜，為蘋果芽變品種選育和短枝型性狀遺傳改良提供了理論基礎。揭示了富士蘋果80余年芽變選種的基因組學基礎，解析了短枝型變異的遺傳學機制，為提高芽變選種效率和短枝型性狀遺傳改良提供了理論指導和基因資源。該項工作依托作物抗逆與高效生產全國重點實驗室、國家蘋果改良中心和園藝科學研究中心等平臺完成，得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家蘋果產業(yè)技術體系、國家級人才項目和學校“雙一流”學科群建設專項等項目的資助。
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