蔷薇科水果成熟机制新突破：长链非编码RNA调控乙烯依赖性果实形成的比较基因组学研究

本研究为解决蔷薇科水果成熟过程中乙烯依赖性(ethylene-dependent)与乙烯非依赖性(ethylene-independent)果实形成的遗传机制问题，通过组装梨属两个代表性品种的高质量单倍型基因组，结合118个梨品种重测序分析，首次鉴定出EIF1/EIF2两个长链非编码RNA通过抑制ACS1基因表达调控乙烯生物合成系统II(System II)的分子机制。该发现揭示了等位基因特异性结构变异导致不同乙烯释放类型的进化规律，为蔷薇科水果成熟调控提供了新靶点。

　　

水果成熟过程中是否存在乙烯释放高峰是区分乙烯依赖型与非依赖型果实的关键特征，这一现象在蔷薇科水果中尤为显著。梨作为同时存在两种成熟类型的典型物种，其遗传机制长期未明。传统观点认为乙烯生物合成系统II(System II)的激活是形成乙烯高峰的核心，但调控该系统的上游遗传因子始终未被揭示。这一科学问题的解答不仅对理解果实成熟进化机制至关重要，更为分子育种提供理论依据。

中国的研究团队选择具有代表性的乙烯依赖型"南果梨"(P. ussuriensis)和非依赖型"二十世纪梨"(P. pyrifolia)，采用PacBio HiFi长读长测序结合Hi-C技术，构建了单倍型分辨的染色体级别基因组，其质量值(QV)达59以上，LTR组装指数(LAI)超过20，显著优于已报道的梨基因组。通过对118个梨品种的重测序分析，研究人员发现染色体15号上25 bp的插入缺失标记(Ethd1)与果实乙烯释放类型显著相关。深入分析揭示该区域存在两个关键长链非编码RNA——乙烯抑制因子EIF1和EIF2，它们能特异性抑制乙烯生物合成限速酶ACS1的转录。

研究采用的主要技术包括：1)基于K-mer分析筛选低杂合度材料进行单倍型基因组组装；2)利用GWAS和Fst分析定位乙烯释放类型相关位点；3)通过瞬时转化验证EIF功能；4)比较基因组学分析Maloideae亚科物种的EIF同源序列分布。样本队列包含62个乙烯依赖型和56个非依赖型梨品种。

基因组组装与注释部分显示，获得的"南果梨"和"二十世纪梨"基因组大小约500 Mb，contig N50达27 Mb，注释基因约4万个。BUSCO评估显示完整性达97%以上，Merqury评估QV值近60，证实组装质量优异。比较分析发现"南果梨"基因组存在3.8 kb和1.1 kb两个关键结构变异(SV)，分别导致EIF1缺失或EIF2形成。

遗传多样性研究表明，Ethd1位点呈现单基因显性遗传特征。连锁不平衡分析发现该位点与EIF1强连锁，RNA-seq显示EIF1表达与ACS1呈负相关。功能验证中，过表达EIF2的"南果梨"果实ACS1表达量显著降低，乙烯产量减少，证实EIF2的抑制作用。

基因型分析揭示了三种等位基因：A型(完整EIF1)、B型(3.8 kb缺失导致EIF1缺失)和C型(1.1 kb缺失形成EIF2)。六种基因型组合中，含B型的组合均表现为乙烯依赖型。群体分析发现欧洲和西亚梨仅含B型等位基因，而东亚梨存在全部三种等位基因，暗示乙烯非依赖型可能是祖先状态。

比较基因组学显示，EIF同源序列仅存在于蔷薇科Maloideae亚科，枇杷(Eriobotrya)基因组中存在完整EIF同源序列并表达，而苹果和山楂仅保留片段。这一发现解释了不同属果实乙烯释放类型的差异。

该研究首次阐明lncRNA通过调控ACS1决定果实乙烯释放类型的分子机制，揭示了结构变异驱动果实成熟方式进化的遗传基础。发现的Ethd1标记可用于分子辅助育种，而EIFs的鉴定为通过CRISPR技术改造果实成熟特性提供了新靶点。研究建立的单倍型基因组资源也为蔷薇科物种比较基因组学研究提供了重要参考。论文创新性地将非编码RNA调控、等位基因特异性变异和果实成熟进化联系起来，为理解植物发育调控的遗传机制提供了新视角。