近日，浙江大学农学院张明方团队在Plant Physiology发表了题为“Pan-genome analysis sheds light on structural variation-based dissection of agronomic traits in melon crops”的论文。该研究在组装了马泡瓜甜瓜基因组的基础上结合已发表的8个具有代表性的不同生态型的主流栽培甜瓜基因组构建甜瓜泛基因组，并利用全基因组关联研究揭示了甜瓜重要农艺性状的遗传变异。
该研究首先利用HiFi测序平台组装了野生甜瓜马泡瓜高质量基因组，这是到目前为止组装质量最高的一个甜瓜基因组，Contig N50达12 Mb。然后进行了比较基因组分析（图1），发现与厚皮甜瓜相比，薄皮甜瓜呈现出更多的收缩基因家族。研究还发现在6号染色体末端存在高密度大片段染色体倒位现象，这些倒位只在部分厚皮甜瓜中存在，由于大片段倒位会导致这些区域的重组抑制，这些信息为甜瓜染色体进化研究提供了新视角。
图1 甜瓜基因组和染色体的核型演化
为全面鉴定甜瓜基因组的遗传变异，该研究以新组装的马泡瓜为参考基因组，结合已报道的8个代表性甜瓜基因组，进行了泛基因组分析。9个甜瓜基因组中具有36617个非冗余家族，包括12290个核心基因家族（图2）。序列比对共鉴定出1800万个SNP、5.7万个小InDels和340万个结构变异 (SV)（图2）。结构变异中，插入缺失（PAV）变异最多，占所有结构变异的98%。KEGG富集分析显示，受PAVs影响的基因主要富集在淀粉和蔗糖代谢通路中。而蔗糖含量对甜度的影响是甜瓜驯化育种中重要的农艺性状之一。通常，厚皮甜瓜中的蔗糖含量较高。在影响蔗糖代谢基因的PAV中，在薄皮甜瓜和厚皮甜瓜中出现了明显的分化，这些变异可能改变了两个瓜类亚种糖的水解和合成过程，导致其糖积累存在显著差异。随后，研究人员利用构建的泛基因组，在多个RIL和F2群体内，对果实含糖量在内的多个农艺性状进行了包括结构变异的全基因组关联（SV-GWAS）分析，成功鉴定出与果实含糖量、果肉颜色和果皮条纹等相关基因所在基因组区域，并关联到该区域关键结构变异。
图2 甜瓜泛基因组及遗传变异信息
厚皮甜瓜拥有像西瓜一样不可食用的果皮，而薄皮甜瓜有像黄瓜一样可食用的果皮。为了深入研究该性状的遗传机制，研究人员首先利用细胞学分析，发现相对于厚皮甜瓜，薄皮甜瓜外皮细胞缺乏次生细胞壁(SCWs)（图3）。F1杂交后代果实外皮表现为部分有或没有SCWs，F2群体呈现符合1:2.8:0.9(≈1:2:1)孟德尔遗传(χ2 = 0.485, P = 0.785)。表明果皮可食性性状在该群体中由一对共显性等位基因控制。为了进一步确定与该性状相关的候选基因，研究人员利用F2群体和RIL群体并基于BSA和重测序的遗传图谱开展了基因定位，克隆到一个富含亮氨酸重复序列的基因CmPIRL6，该基因编码区存在两个非同义突变（图3）。原位杂交结果显示该基因在甜瓜外果皮中高表达，进一步证明CmPIRL6基因可能参与了甜瓜果实外皮细胞SCW的生物合成，导致甜瓜外果皮出现可食性与不可食性的分化。
图3 甜瓜外果皮结构及基因定位
综上，该研究不仅为甜瓜基因组和重要性状的驯化提供新见解，而且为甜瓜重要性状相关基因挖掘提供了重要信息平台，也为未来甜瓜全基因组选择与分子设计育种奠定了重要基础。
浙江大学农学院博士后吕小龙、博士生夏玥琳和硕士生王陈昊为该研究论文的共同第一作者，张明方教授为该论文通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、国家西甜瓜产业技术体系、浙江省高层次人才专项计划和宁波市重大科技项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiad405
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