北京時間2023年10月2日，《自然·遺傳學》雜志在線發表了華中農業大學園藝林學學院、園藝作物種質創新與利用全國重點室徐強教授團隊的研究論文“Pangenome analysis provides insight into the evolution of the orange subfamily and a key gene for citric acid accumulation in citrus fruits”。該研究揭示了屬和柑橘亞科的起源和演化歷程，繪制了柑橘亞科的泛組圖譜，鑒定了調控柑橘果實積累的關鍵基因，對認識植物果實積累檸檬酸的分子調控機制具有重要科學意義，同時為果實風味育種提供了重要基因資源。
柑橘是全球和我國最重要的果樹之一，2022年中國柑橘種植面積超過4500萬畝，產量超過5500萬噸，柑橘產業在國民經濟發展和鄉村振興事業中發揮重要作用。培育優質高效的柑橘新品種，不僅是科學研究的重要目標，也是產業可持續發展的重要保障。
中國柑橘栽培已有4000多年的歷史，最早在《禹貢》一書中已有“淮海惟揚州，厥包橘柚錫貢”的記載。中國柑橘種類繁多，種質資源豐富，是世界柑橘的多樣性中心，有許多學者提出中國是全球柑橘的起源中心，但由于以往的研究主要局限于橘、橙、柚、檸檬等在世界范圍內廣泛種植的商業品種，缺乏對柑橘野生種和近緣種資源的系統認識，限制了對柑橘起源、進化的研究，對于柑橘的起源地一直缺乏確鑿的證據。
研究團隊對全球和中國各地的柑橘資源歷經10余年調查，在全球范圍內收集了312份柑橘亞科種質資源的全基因組數據，構建了柑橘亞科的系統進化樹，同時結合歷史地理位置推斷和物種多樣性分布，推測古印度板塊可能是柑橘亞科的起源中心。通過對基因組遺傳信息的深入分析，研究人員重新界定了柑橘屬包含15個種，其中包括本研究在中國新發現的兩個種。通過對中國野生柑橘資源深入調查和群體結構分析，發現柑橘屬中進化地位最早的物種分布在中國南部，并且多樣性最高，據此推測中國南部則可能是柑橘屬的初生起源中心。喜馬拉雅山東南麓和澳大利亞及附近島嶼則是柑橘的兩個次生分化中心。
研究人員進一步對12個柑橘亞科的代表種進行了測序組裝，并結合已發表的6個柑橘屬基因組，構建了柑橘亞科的泛基因組圖譜。對柑橘亞科基因組的序列進行分析，發現轉座子含量和基因組大小之間具有顯著正相關關系，其中solo LTR的含量對基因組大小具有重要貢獻。轉錄組分析和人工雜交群體檢測結果顯示，有性雜交過程中LTR-TEs能夠發生重組形成solo LTR并影響鄰近基因的表達。
檸檬酸及檸檬酸循環是植物最基礎代謝產物和能量循環。柑橘是植物界非常有名的果實積累異常高的植物，歷史上曾經被用來檸檬酸的生產。檸檬酸作為柑橘果實中的主要有機酸，其含量高達柑橘果實有機酸的90%以上。解析柑橘果實檸檬酸積累的分子基礎，對于理解檸檬酸積累機理具有重要科學意義。柑橘屬栽培物種的果實風味表現出多樣化，如檸檬和葡萄柚偏酸，蜜橘非常甜，部分甜橙、柚和橘突變類型甚至無酸，發掘控制果實酸味的關鍵決定因子，對于培育不同風味的柑橘新品種具有重要現實意義。本研究拓寬了對柑橘亞科植物積累檸檬酸的認識，我們已知栽培柑橘果實檸檬酸含量呈現較大的差異，野生柑橘屬植物果實檸檬酸含量均很高，有趣的是，柑橘近緣種部分類型(含野生資源)果實并不積累檸檬酸。研究人員利用柑橘亞科的泛基因組圖譜并結合轉錄組分析，鑒定到一個包含R2R3 Myb結構域的轉錄因子CitPH4.該基因在柑橘屬植物果實具有較高的表達水平，而在柑橘屬之外的近緣屬中幾乎不表達，且該基因的序列在柑橘屬和柑橘近緣屬中高度分化，同時，該基因表達水平和檸檬酸的含量呈顯著正相關。在早花柑橘山金柑中敲除該基因，發現檸檬酸含量和下游靶基因的表達量均顯著降低;而超量表達該基因，檸檬酸含量及靶基因的表達量均顯著提高。進一步通過生化互作實驗證明，CitPH4通過結合并激活液泡膜質子泵基因PH5調控柑橘液泡酸化進而促進檸檬酸積累。這些結果表明，CitPH4可以作為柑橘果實風味改良的關鍵基因，對于柑橘優質育種具有重要價值。
鄧秀新院士參與指導了本研究開展，云南省農業科學院岳建強、高俊燕、王紹華，湖南省農業科學院陳鵬、楊水芝、曾斌等老師，以及來自澳大利亞昆士蘭農業和漁業部門的Malcolm Smith和美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Ray Ming等多位老師參與完成了該研究。徐強教授為該論文的通訊作者，我校博士后黃躍、已畢業博士何佳鮮、博士后徐遠濤和鄭偉康為論文的共同第一作者。該研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、湖北洪山實驗室基金、云南省特別項目、湖北省重點項目以及國家博士后創新人才支持計劃等項目的資助。
英文摘要：
The orange subfamily (Aurantioideae) contains several Citrus species cultivated worldwide, such as sweet orange and lemon. The origin of Citrus species has long been debated and less is known about the Aurantioideae. Here, we compiled the genome sequences of 314 accessions, de novo assembled the genomes of 12 species and constructed a graph-based pangenome for Aurantioideae. Our analysis indicates that the ancient Indian Plate is the ancestral area for Citrus-related genera and that South Central China is the primary center of origin of the Citrus genus. We found substantial variations in the sequence and expression of the PH4 gene in Citrus relative to Citrus-related genera. Gene editing and biochemical experiments demonstrate a central role for PH4 in the accumulation of citric acid in citrus fruits. This study provides insights into the origin and evolution of the orange subfamily and a regulatory mechanism underpinning the evolution of fruit taste.
2023年10月2日
來源：華中農業大學南湖新聞網
