葡萄连续开花结果的遗传基础：泛基因组学与单细胞转录组学联合解析

本研究针对葡萄(Vitis vinifera)连续开花结果(CFB)性状的遗传机制展开多组学解析。研究人员通过构建"Julian"品种端粒到端粒(T2T)基因组，结合15个葡萄品种的泛基因组比较，鉴定出558个特有结构变异(SVs)和8个开花通路基因；利用单细胞转录组技术揭示7种细胞类型特异性表达模式，最终筛选出37个与CFB相关的候选基因(如Auxin/IAA、Cytochrome P450等)。该研究为葡萄育种提供了重要靶点，发表于《Horticulture Research》，为延长果树收获期提供了分子育种新思路。

　　

葡萄作为全球重要的经济作物，其开花结果模式直接影响果实产量和品质。传统葡萄品种多表现为季节性集中开花结果(SFB)，而"Julian"(JA)品种却展现出独特的连续开花结果(CFB)特性，能在同一枝条上同时存在从花芽到成熟果实的各发育阶段。这种特性可显著延长采收期、提高产量，但其分子机制长期未明。以往研究多局限于单一组学层面，对CFB这一复杂性状的解析存在局限。

为系统揭示CFB的遗传基础，Yuting Liu等研究者整合泛基因组学、比较基因组学、单细胞和批量转录组学技术展开研究。首先利用PacBio HiFi和Hi-C测序技术完成JA品种单倍型分型的T2T基因组组装，通过与15个SFB品种构建泛基因组图谱，鉴定JA特有变异；同时采集JA和对照品种"Muscat Hamburg"(MH)的花芽样本，通过10x Genomics平台构建单细胞转录组图谱；最终整合多组学数据筛选关键候选基因。

主要技术方法

研究采用PacBio HiFi长读长测序(~66×覆盖度)和Hi-C技术(~38×覆盖度)完成JA单倍型分型基因组组装；基于PGGB算法构建包含15个葡萄品种的泛基因组图谱；利用10x Genomics Chromium平台对JA和MH花芽进行单核RNA测序(snRNA-seq)，获得13,482(JA)和18,762(MH)个高质量单细胞转录组；通过Seurat软件进行细胞聚类和差异表达分析。

Haplotype-resolved基因组组装与注释

新组装的JA基因组显示1.44%杂合率，两个单倍型(JA_hap1/JA_hap2)均达T2T标准，包含19条伪染色体和54个端粒。比较基因组分析发现3,671个半合子基因，富集于氮代谢和核酸相关通路。与参考基因组PN40024和MH相比，JA展现出高度保守的共线性关系，但染色体7、13和14存在显著结构变异热点。

泛基因组学发现JA特有SVs和基因

构建的987 Mb泛基因组图谱包含19,574,412个变异位点，其中558个为JA特有SVs(70 bp缺失和281 bp插入等)。这些SVs邻近基因显著富集于光周期响应和开花调控通路，如Vitis07g02034(光信号转导蛋白)和Vitis14g00398(NF-Y复合体转录因子)。

葡萄芽单细胞转录组图谱

UMAP分析鉴定出13个细胞簇，对应7种细胞类型：木质部(9,524细胞)、叶肉(7,733细胞)和分生组织(726细胞)等。分生组织细胞特异性表达细胞分裂和染色质重塑相关基因，GO分析显示JA中生长素响应基因显著上调，而MH中应激响应通路更活跃。差异表达分析鉴定5,807个DEGs，如JA中高表达的MED18同源基因Vitis18g01001(5.2 TPM)和茉莉酸合成关键酶AOC4同源基因Vitis14g01538。

CFB的整合基因组学解析

通过整合SVs和DEGs筛选出37个候选基因，包括：

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  防御相关基因：Vitis07g00128(Vicilin-like抗菌肽)上游存在11,768 bp插入

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  氧化应激调控基因：Vitis14g00256(RBOH呼吸爆发氧化酶同源蛋白B)内含子插入

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  激素通路基因：生长素诱导蛋白22D(Vitis14g00733)与病程相关蛋白PR-4(Vitis14g00736)共表达(r=0.678)

  这些基因构成细胞壁动态重塑、激素调控和昼夜节律协同的网络体系。

讨论与意义

该研究首次通过多组学整合揭示了葡萄CFB性状的分子机制：

1. 1.

   泛基因组发现JA特有SVs通过影响光周期响应和表观调控基因(如SET域甲基转移酶Vitis07g02159)维持持续开花

2. 2.

   单细胞转录组证实JA分生组织保持更高的转录可塑性，生长素信号持续激活促进器官发生

3. 3.

   鉴定的37个候选基因为分子设计育种提供靶点，可应用于草莓、番茄等连续开花作物改良

研究突破传统单组学局限，建立的"基因组变异-细胞异质性-表型调控"解析框架为复杂农艺性状研究提供范式。论文发表于园艺学顶级期刊《Horticulture Research》，为延长果树采收期、实现周年均衡供应提供理论依据和技术支撑。