《Nature Genetics》苹果泛基因组分析：解锁苹果属进化与遗传多样性的密码

在苹果属研究中，因野生种基因组资源有限，阻碍了对其进化史和遗传多样性的理解。研究人员测序并组装 30 个高质量苹果属基因组，进行泛基因组分析。结果揭示进化历程、基因复制等情况，还开发相关分子标记。研究成果发表在《Nature Genetics》杂志上，为苹果属的研究带来了新的曙光。

　　

苹果，作为人们日常生活中常见的水果，不仅口感鲜美，还富含多种营养成分，深受大众喜爱。在植物学领域，苹果所属的苹果属（Malus Mill.）更是具有重要的农业和生态价值。苹果属包含超过 35 个物种，广泛分布于北半球温带地区，从东亚、欧洲到北美都有它们的踪迹。然而，长期以来，苹果属的研究面临诸多挑战。一方面，其复杂的遗传背景使得确定各物种间的系统发育关系困难重重。以往的研究多依赖于叶绿体基因组、核糖体 DNA 序列或与驯化苹果基因组比较的单核苷酸多态性（SNPs），但这些数据有限，难以清晰地解析苹果属的进化脉络。另一方面，野生苹果物种的基因组资源稀缺，极大地阻碍了科研人员对其进化历史和遗传多样性的深入了解。在苹果育种方面，商业果园和产业过度依赖少数密切相关的栽培品种，导致传统和适应性良好的地方品种逐渐流失，基因库日益缩小，这对未来苹果品种的改良极为不利。而野生苹果物种蕴含着大量潜在有益基因和遗传变异，是苹果育种的宝贵资源，对其深入研究迫在眉睫。

为了攻克这些难题，来自中国农业大学、西北农林科技大学等多所机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Genetics》杂志上，为苹果属的研究带来了新的曙光。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在样本采集上，从多个地区收集了 30 种苹果属物种样本。基因组测序与组装方面，利用 hifiasm、HiC - pro 等软件分别对二倍体和多倍体样本进行处理，构建出高质量基因组。在进化分析中，通过识别单拷贝核基因、进行分子钟分析等探究苹果属的进化关系。还利用参考基因组比对和泛基因组图两种方法检测结构变异（SVs）。

研究结果如下：

• 苹果属进化基因组景观：研究人员成功测序并从头组装了 30 个高质量的苹果属基因组，涵盖了‘金冠’苹果及 29 个野生苹果物种，包括二倍体和多倍体。这些基因组的重复序列占比在 53.54% - 62.38% 之间，其中长末端重复反转录转座子（LTR - RTs）最为常见。通过对这些基因组的分析，研究人员确定了苹果属的系统发育关系，支持苹果属为单系群，并划分出七个分支（I - VII）。分子钟分析表明，苹果属的起源可追溯到 56.28（53.60 - 58.96）Ma，且其主要分支的分离与全球气候变冷相吻合，暗示苹果属对凉爽环境的适应。生物地理学重建显示，苹果属可能起源于亚洲，并在早期于亚洲多样化，随后部分物种扩散到北美、欧亚大陆北部和非洲。

• 基因组复制与苹果属多样性：通过系统发育基因组分析，研究人员确定了 6,519 个基因重复（GDs）发生在苹果亚科（Malinae）的最近共同祖先（MRCA），有力地证明了早期苹果族（Maleae）发生了全基因组复制（WGD）事件。此外，在苹果亚科内部节点也发现了多个 GDs 簇，这些簇中的大部分 GDs 源于苹果亚科的 WGD，可能是由于基因转换导致相关基因对在序列上更为相似。研究还发现，Gillenieae 可能是苹果亚科的亲本谱系之一，其与未知谱系的杂交事件可能导致了苹果亚科的异源四倍体化，这一事件或许帮助多个苹果属群体在古温度下降的环境中生存下来。

• 苹果属中的多次基因渗入：利用新组装的苹果属基因组，研究人员对 32 个苹果属基因组和 7 个外类群基因组进行系统发育和共线性分析，检测苹果属的直系同源群（MOGs）。通过定义基因树中 A 和 B 基因的姐妹关系，研究人员发现了大量不同分类群间的姐妹关系，从而重新审视了多倍体苹果属物种假定亚基因组与二倍体之间的系统发育关系。研究结果支持多个杂交 / 基因渗入事件，如 A 基因组和 B 基因组之间的杂交导致了 M. platycarpa、M. rockii 和 M. sieboldii 的形成，还确定了一些多倍体苹果属物种的可能亲本，为苹果属基因组进化和育种提供了重要线索。

• 苹果属泛基因组与结构变异：研究人员为 20 个二倍体物种组装了单倍型解析基因组，检测到大量的结构变异（SVs），包括存在 - 缺失变异、重复和倒位等。这些 SVs 广泛分布于常染色质区域，部分集中在着丝粒附近。通过构建泛基因组图，研究人员进一步探索了苹果属的遗传多样性，发现了一些与重要农艺性状相关的 SVs。例如，在苹果抗黑星病育种中具有重要价值的 M. floribunda，其特定的两个片段与抗黑星病基因 HcrVf2 紧密相关，这两个片段可用于标记辅助选择抗黑星病品种。

• 泛基因组图工具捕获性状的选择性清除：研究人员开发了 IntervalConvertor 工具，利用该工具结合泛基因组图，对 337 个苹果属样本（247 个驯化苹果和 90 个野生苹果）的重测序数据进行分析，以识别苹果驯化过程中受到选择的基因组区域。研究发现，MdMYB5 基因所在区域仅在以 M. prunifolia 或 M. micromalus 为参考基因组时才能检测到，且野生苹果中 MdMYB5 基因的表达水平显著高于驯化苹果。进一步研究表明，MdMYB5 基因在调节苹果的抗冻性和对病原体的抗性方面发挥着重要作用，驯化过程可能选择了导致 MdMYB5 表达降低的等位基因，从而削弱了苹果的抗逆性。

研究结论和讨论部分指出，本研究首次构建了果树属级别的泛基因组，为苹果属的研究提供了全面的基因组资源。通过对野生和驯化苹果属物种的综合基因组分析，有助于育种人员利用种间杂交，将野生苹果的优良性状引入到新的苹果品种中，如利用 M. floribunda 的抗黑星病特性培育抗病品种。IntervalConvertor 工具的开发以及泛基因组图在检测重要基因组位点中的应用，为苹果育种提供了有力的工具。研究还揭示了苹果属基因组的进化机制，包括基因复制、基因渗入和对环境变化的适应，这些发现推动了对苹果属基因组多样性和进化的理解，为未来苹果属的研究和育种工作奠定了坚实的基础。