探秘西葫芦基因组：解析遗传变异，解锁农艺性状改良密码

《BMC Genomics》：Discovery of variation in genes related to agronomic traits by sequencing the genome of Cucurbita pepo varieties

为探究西葫芦（Cucurbita pepo L.）遗传变异与植物形态、品质性状及生物胁迫响应的关系，研究人员对 8 个西葫芦品种基因组重测序。结果发现超 470 万个基因组变异，明确了相关基因变异。这为西葫芦遗传改良和提高农业生产力提供了重要依据。

　　西葫芦，这种常见的蔬菜，在人们的餐桌上十分常见。但在农业生产中，西葫芦的种植却面临着诸多挑战。西葫芦的品种繁多，形态各异，这使得对其遗传特性的研究变得复杂。而且，西葫芦还饱受病毒和真菌的侵害，像西葫芦黄花叶病毒（ZYMV）和白粉病（PM），这些病害严重影响了西葫芦的产量和品质。过去，虽然对西葫芦的遗传和基因组有一定研究，但相比其他葫芦科作物，其性状定位和基因发现的进展较为缓慢。为了深入了解西葫芦的遗传奥秘，找到应对这些问题的方法，来自西班牙巴伦西亚理工大学（Universitat Politècnica de València）、意大利国家研究委员会可持续植物保护研究所（Institute for Sustainable Plant Protection, National Research Council）和那不勒斯费德里科二世大学（University of Naples Federico II）的研究人员开展了一项重要研究 。
研究人员对 8 个西葫芦品种进行了基因组重测序，这些品种分别来自西葫芦组和科科泽勒组，它们作为多亲本高级世代互交（MAGIC）群体的亲本，具有重要研究价值。研究人员采用了多种关键技术方法，首先是 DNA 提取技术，从每个品种的叶片中提取 DNA；然后进行文库构建和测序，利用 TruSeq DNA Sample Prep Kit 构建索引文库，并通过 Illumina HiSeq 1500 平台测序；接着对测序数据进行处理，使用 Trimmomatic 去除测序接头和低质量碱基，用 BWA mem 将过滤后的高质量配对读段比对到西葫芦基因组上，再用 Bcftools mpileup 进行变异检测 。
研究结果如下：

1. 测序及基因组多样性评估：对 8 个西葫芦品种测序后，平均产生 4000 万原始读段，覆盖参考基因组的 22 - 40 倍。共鉴定出超过 470 万个基因组变异，包括单核苷酸多态性（SNP）和插入 / 缺失（IN/DEL）。“Whitaker” 的变异频率最高，381e 和 968Rb 最低。
2. 探索品种间遗传关系：通过基于混合模型的聚类分析和主成分分析（PCA），发现这些品种可分为 3 - 4 个遗传群，主要聚为西葫芦组和科科泽勒组，“Whitaker” 与其他品种分离。
3. 私有 SNP 鉴定及功能注释：在所有品种中鉴定出 118 万个独特 SNP，其中 “Whitaker” 有 81.5 万个。大部分潜在功能性 SNP 具有修饰作用，这些 SNP 可能与不同品种的表型差异有关。
4. 与植物和果实形态性状相关的基因：研究发现了许多与形态性状相关的变异基因。例如，在半蔓生基因型的 BDS 和 NV 中，与赤霉素代谢途径相关的基因存在变异，可能与它们的半蔓生习性有关；不同叶形的品种中，相关同源基因存在变异；果实形状和颜色相关的基因在不同品种中也有变异，影响着果实的外观和品质。
5. 与生物胁迫相关基因的变异：比较 381e、968Rb 和 SPQ 三个品种的变异分布，发现染色体 1、8 和 10 上存在差异。968Rb 在染色体 10 的特定区域变异密度高，涉及多个与生物胁迫相关的基因；381e 在染色体 8 和 1 上的某些区域变异独特，包含与 ZYMV 抗性相关的基因。
   在研究结论和讨论部分，研究人员获得了大量高质量的 SNP 和 IN/DEL 数据，这些数据有助于更好地理解西葫芦的遗传多样性。研究发现的基因变异与西葫芦的生长习性、叶形、果实颜色和形状等重要农艺性状相关，也与对 ZYMV 和 PM 的抗性有关。这些发现为西葫芦的遗传改良提供了重要线索，有助于培育出更具抗性、品质更好的西葫芦品种，对提高农业生产力和保障粮食安全具有重要意义。此次研究成果发表在《BMC Genomics》上，为该领域的进一步研究奠定了坚实基础。