上海交大张才喜团队与合作者首次破译中国樱桃单倍型基因组，解明果实硬度低的内在机理

　　

中国樱桃（Prunus pseudocerasus）是蔷薇科、李属、樱亚属的木本落叶植物，原产我国长江流域，至今约有三千余年栽培历史，尤以贵州、四川、云南、浙江、江苏等地栽培最多，全国栽培面积约120万亩。中国樱桃成熟期短，上市早，素有“春果第一枝”的美誉。中国樱桃果实形娇味美，营养丰富，深受消费者喜爱。然而，因其果肉软、果实采后极易软化腐烂，不耐贮运，给消费市场流通带来了极大阻碍，制约了中国樱桃可持续健康发展。此外，因中国樱桃为多倍体且杂合度高，致使其基因组组装难度较大。由于长期缺乏中国樱桃的基因组信息，限制了对其植物遗传背景、进化关系以及重要农艺性状关键基因的研究，阻碍了中国樱桃的分子育种进程。

2024年6月，Horticulture Research在线发表了上海交通大学张才喜教授团队和云南农业大学董扬教授团队合作完成的题为Haplotype-resolved genome assembly for tetraploid Chinese cherry (Prunus pseudocerasus) offers insights into fruit firmness的研究论文。本研究以中国樱桃‘诸暨短柄’（图1）为主要研究材料，利用PacBio HiFi、Oxford Nanopore和Hi-C等多种测序技术以及多种组装策略，完成首个中国樱桃单倍型基因组的组装（Hap1: 246.32 Mb, Hap2: 237.05 Mb, Hap3: 225.55 Mb和 Hap4: 192.94 Mb），揭示了中国樱桃果实硬度低的内在机理，为樱属植物进化、重要性状关键基因挖掘及分子育种奠定了基础。

图1 中国樱桃的植物学表型特征和基因组全景图

分析发现，四个单倍型的重复序列占比相近，且均超过了其单倍型基因组的40%，其中长末端重复反转座子（LTR-RTs）为四个单倍型基因组的主要重复单元（Hap1: 17.56% , Hap2: 17.31%, Hap3: 17.21%和Hap4: 17.30%）（图2）。四个单倍型基因组间共线性等分析发现，四个单倍型之间的共线性、序列信息、基因结构和表达水平表现出较高的一致性，暗示中国樱桃为同源四倍体。

图2 中国樱桃单倍型基因组图谱

系统进化树结果显示，中国樱桃、细花樱桃、山樱花和东京樱花在22.94百万年前从共同的祖先中产生分化。在五个樱亚属植物中，中国樱桃与细花樱桃的亲缘关系最近，两者在18.34百万年前分化，而其与甜樱桃的亲缘关系最远。与其他蔷薇科植物一样，中国樱桃约在138.6百万年前经历一次共有的全基因组复制（whole genome duplication，WGD）事件（图3）。

图3 中国樱桃基因组进化和比较基因组分析

由于中国樱桃果实硬度低，使其储运困难，这是制约其快速发展的重要因素之一。相反，甜樱桃由于果实硬度高，流通性好，已成为全球性的重要水果之一。因此，挖掘调控果实硬度的关键基因，阐明中国樱桃和甜樱桃果实硬度差异的内在原因，具有重要的现实意义。纤维素、半纤维素、果胶含量的分析结果表明，细胞壁降解是造成中国樱桃和甜樱桃果实软化的重要因素，中国樱桃（“诸暨短柄”）纤维素、半纤维素、果胶等细胞壁组分的快速降解是其成熟果实硬度显著低于甜樱桃（“黑珍珠”）的重要原因之一（图4）。比较转录组分析发现，GalAK-like和Stv1是导致中国樱桃和甜樱桃硬度差异的关键基因（图5）。瞬时转化实验也表明，过量表达GalAK-like和Stv1基因可显著增加果实中原果胶含量，提升樱桃的果实硬度。

图4 中国樱桃“诸暨短柄”和甜樱桃“黑珍珠”果实的质地、微观结构和细胞壁成分比较分析

图5 中国樱桃和甜樱桃不同发育期果实样品的比较转录组学分析

上海交通大学纠松涛副研究员为论文第一作者，上海交通大学张才喜教授和云南农业大学董扬教授为论文共同通讯作者，上海交通大学王世平教授、刘默洋副研究员和吕正鑫博士、云南农业大学陈保政博士、烟台农科院张序研究员和李芳东副研究员、四川农科院李洪雯研究员和陈丽娟博士等也参与了该项研究。

论文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhae142

作者：

农业与生物学院

供稿单位：

农业与生物学院