鹅掌楸泛基因组分析揭示与生长性状相关的基因存在/缺失变异机制

研究人员通过构建鹅掌楸（Liriodendron）首个线性泛基因组，鉴定出32,773个基因（含3,558个新基因）及13,779个核心基因与18,179个非必需基因。基于PAV-GWAS（基因存在/缺失变异全基因组关联分析）发现14个与树高（H）、胸径（DBH）等生长性状相关的候选基因，并揭示基因PAV通过显性表达模式驱动杂交鹅掌楸生长优势。该研究为木本植物杂种优势机制解析提供了新视角。

　　

在林木遗传育种领域，鹅掌楸属（Liriodendron）因其现存仅有的两个自然种——中国鹅掌楸（L. chinense）和北美鹅掌楸（L. tulipifera）——及其显著杂交优势而成为研究热点。杂交鹅掌楸表现出远超亲本的生长速度、生物量积累和逆境耐受性，但其分子机制尚不明确。传统单基因组研究难以捕捉群体结构变异（SV），而基于单核苷酸多态性（SNP）的全基因组关联分析（GWAS）又无法全面解析基因存在/缺失变异（PAV）对性状的贡献。这些局限促使研究人员转向泛基因组研究，以期揭示鹅掌楸生长性状的遗传基础。

南京林业大学的研究团队通过整合22个鹅掌楸种质的重测序数据和已发表的参考基因组，采用"de novo"策略构建了首个鹅掌楸线性泛基因组。研究获得116 Mb非参考序列，鉴定出3,558个新基因，并基于247个基因型的PAV矩阵将基因分为核心基因（13,779个）和可缺失基因（18,179个）。关键技术包括：（1）使用megahit进行个体基因组组装；（2）通过mummer比对筛选非参考序列；（3）基于80%基因覆盖度阈值建立PAV矩阵；（4）采用BLINK模型进行PAV-GWAS分析；（5）结合转录组数据解析杂种优势表达模式。

泛基因组构建与PAV分析

研究将L. tulipifera参考基因组与22个种质的非参考序列整合，形成1.61 Gb的线性泛基因组。基因注释显示非参考序列基因平均长度（895 bp）显著短于参考基因（12,382 bp），反映二代测序的片段化局限。PAV分析发现56.84%基因为可缺失基因，其中L. chinense特异的731个基因主要源于非参考序列，而L. tulipifera特异的11个基因经PCR验证具有种属特异性。

PAV-GWAS定位生长性状基因

通过三年表型数据关联分析，研究鉴定出14个显著关联位点：8个与树高（H）相关，4个与胸径（DBH）相关，2个与冠长比（CLR）和干高（CBH）相关。其中Litul08G029000（编码WRKY117转录因子）在连续两年DBH关联分析中均显著，且仅存在于生长更快的L. tulipifera中；Litul02G164100（生长素响应蛋白基因）在所有基因型中均存在，可能参与生长发育全程调控。

杂种优势的分子机制

通过强/弱优势组合的叶片、嫩枝和韧皮部转录组比较发现：（1）叶片组织中1,030个差异基因富集于"细胞周期""有丝分裂"等通路；（2）PAV基因在强优势组合中多呈现高亲本显性表达模式，如Litul01G057400（萜烯合成酶基因）；（3）候选基因Litul02G164100在强优势组合叶片中表达量超亲本，暗示生长素通路在杂种优势中的核心作用。

该研究首次构建鹅掌楸泛基因组资源库，突破传统SNP-GWAS的局限，证明PAV变异通过显性表达模式驱动杂种优势。发现的候选基因为分子标记辅助育种提供靶点，而PAV与表达模式的整合分析策略为其他木本植物杂种优势研究提供范式。值得注意的是，当前线性泛基因组对低丰度基因和等位基因特异性表达（ASE）的捕捉仍存在局限，未来需结合T2T基因组和图形泛基因组进一步优化。论文发表于《BMC Plant Biology》，为林木遗传改良奠定了重要理论基础。