番茄端粒到端粒无间隙基因组揭示SlPRR1调控昼夜节律与光周期开花的关键机制

研究人员针对栽培番茄缺乏完整无间隙参考基因组的问题，利用PacBio HiFi、ONT超长读长和Hi-C技术构建了首个番茄品种"VF36"的端粒到端粒(T2T)无间隙基因组。通过比较基因组学和CRISPR/Cas9基因编辑技术，发现核心昼夜节律振荡器SlPRR1在长日照条件下促进开花，并提出了SlPRR1通过光周期调控开花时间和叶绿素生物合成的分子模型。该研究为番茄遗传改良提供了高质量基因组资源，发表于《GigaScience》。

　　

在植物生长发育过程中，开花时间的精确调控对作物适应性和产量形成至关重要。作为全球重要的蔬菜作物，栽培番茄(Solanum lycopersicum)因其独特的日中性(ND)特征成为研究开花调控的理想模型。然而，现有番茄参考基因组存在31个缺口，且关于核心昼夜节律振荡器如何调控番茄开花时间的分子机制尚不明确。这些问题严重制约了番茄分子育种和光周期适应性改良的进程。

南京农业大学园艺学院的研究团队在《GigaScience》发表了突破性研究成果。该研究通过整合PacBio HiFi、ONT超长读长和Hi-C测序技术，首次构建了栽培番茄品种"VF36"的端粒到端粒(T2T)无间隙基因组。这个815.27 Mb的高质量基因组填补了现有参考基因组的空白，准确注释了12个着丝粒区域和24个端粒序列。研究人员进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，揭示了核心昼夜节律基因SlPRR1在调控番茄开花时间和叶绿素合成中的关键作用。

关键技术方法包括：1)采用ONT和PacBio HiFi测序技术进行基因组组装；2)利用Hi-C技术进行染色体挂载；3)基于k-mer分析评估基因组特征；4)通过比较基因组学分析结构变异；5)使用CRISPR/Cas9构建SlPRR1突变体；6)采用HPLC技术测定糖含量；7)通过qRT-PCR分析基因表达模式。研究材料为番茄品种"VF36"和"Micro-Tom"。

研究结果主要包括：

A T2T gap-free tomato reference genome for"VF36"
研究组装得到815.27 Mb的"VF36"番茄基因组，包含12条完整染色体和12个着丝粒区域。基因组重复序列占比73.28%，其中LTR反转座子占主导。与"Heinz 1706"基因组相比，新组装填补了所有缺口，BUSCO评估显示98.27%的核心基因完整。

"VF36" tomato genome annotation
基因组共注释34,783个蛋白编码基因，平均每个基因含4.8个外显子。鉴定出413个miRNA和1,049个tRNA等非编码RNA。功能注释显示96.43%的基因具有明确功能。

Global comparison of"VF36" and"Heinz 1706"genomes
比较基因组分析发现两个品种间存在289,116个SNP和103,826个indel。结构变异分析鉴定出1,807个SV事件，包括2个大于400 kb的大片段倒位。SV相关基因富集于免疫应答和DNA整合等通路。

Phylogenetic analysis
系统发育分析表明"VF36"与"Heinz 1706"的分化时间约为210万年前。基因家族分析显示"VF36"特有1,786个基因家族，主要参与氧化还原酶活性和光系统II功能。Ks分析未发现近期全基因组复制事件。

Expression and functional analysis of SIPRR1 in circadian rhythm
SlPRR1表达呈现夜间高峰的昼夜节律模式，在根和果实中表达量最高。CRISPR/Cas9构建的slprr1突变体在长日照(LD)条件下开花显著提前，而在短日照(SD)条件下开花延迟。

Knockout of SIPRR1 affected sugar accumulation in tomato fruit
slprr1突变体果实中果糖和葡萄糖含量显著降低，而蔗糖含量升高。糖转运相关基因LIN5和SUT1表达上调，SWEET家族基因表达模式改变。

Proposed chlorophyll biosynthesis pathway in tomato leaves
LD条件下番茄叶片叶绿素含量显著高于SD条件。SlPRR1通过调控SlGluTR₁、SlPPO等叶绿素合成基因以及SlGLK2等转录因子影响叶绿素代谢。

研究结论与讨论：
该研究首次提供了栽培番茄的T2T无间隙基因组资源，解决了长期以来参考基因组不完整的问题。通过比较基因组学分析，揭示了番茄品种间的遗传变异特征，为分子育种提供了重要依据。最重要的是，研究阐明了核心昼夜节律基因SlPRR1通过调控CO/COL基因家族和FT同源基因(如SP5G和FTL1)的表达，在光周期依赖的开花时间调控中发挥关键作用。提出的SlPRR1调控模型不仅丰富了我们对日中性植物开花机制的认识，也为番茄分子设计育种提供了新靶点。

在叶绿素代谢方面，研究发现SlPRR1通过影响叶绿素合成和降解相关基因的表达，参与光周期依赖的光合作用调控。这一发现将昼夜节律与初级代谢联系起来，为作物光合效率改良提供了新思路。此外，slprr1突变体果实糖代谢的改变提示SlPRR1可能整合了发育时序与果实品质形成的调控网络。

该研究的创新性主要体现在：1)首次获得番茄T2T无间隙基因组；2)发现SlPRR1在日中性植物开花调控中的新功能；3)建立了光周期-昼夜节律-代谢调控的分子模型。这些成果不仅推动了番茄基础研究的进展，也为其他作物的光周期适应性改良提供了重要参考。未来研究可进一步解析SlPRR1下游信号通路，探索其在作物广适性育种中的应用潜力。