撰文 | MX
责编 | 奕梵
2020年11月2日，美国康奈尔大学Boyce Thompson Institute费章君团队与USDA-ARS 植物遗传资源研究中心仲干远团队合作在Nature Genetics发表了题为Phased diploid genome assemblies and pan-genomes provide insights into the genetic history of apple domestication的研究论文。该研究通过三代基因组测序手段对栽培苹果 (Malus domestica cv. Gala) 及其两个主要的祖先种野生苹果 (M. sieversii 和 M. sylvestris) 进行基因组测序和组装，同时对91个苹果种质进行泛基因组研究，全面系统地解析了苹果的起源、驯化历程和遗传学基础。该研究提供了苹果驯化历程中的详细遗传信息，为果树育种家和研究工作者对果实风味、口感、产量和多种品质性状及适应性的改良等提供了重要依据。
苹果隶属蔷薇科苹果属落叶乔木，是全球分布最广、产量最高也最重要的一种水果。中国每年的苹果产量占到全球苹果年产量的一半以上，是世界第一苹果生产和消费大国，同时我国拥有极其丰富的苹果属种质资源。现代汉语中“苹果”一词起源于梵语，最早被称之为“频婆”，后被引入汉语成为如今的称谓 【1】 。中国古代的苹果称之为“柰”，又称“绵苹果”，其祖先为新疆野苹果 (Malus sieversii) ，是由新疆传入中原后被培育而成。西汉著名文学家司马相如的《上林赋》，描写当时的都城长安上林苑的壮丽景象中就有“楟柰厚朴”一句 【1】 。
栽培苹果的早期驯化大约在5000年前就已完成，后经数千年的演变和人工选择形成现如今种类繁多的苹果栽培品种。在早期的研究中，对于栽培苹果的起源和驯化历程不同学者持有不同的观点。2017年 费章君团队与 山东农业大学陈学森教授团队，对苹果的起源、演化和驯化进行系统的研究，证明了现代栽培苹果起源于中亚 哈萨克斯坦的野生祖先种 (Malus sieversii Roem.) ，并沿古丝绸之路向西交流，不断演化最后形成当今的栽培苹果 (Malus domestica Borkh.) 【2】 。
苹果（credit: USDA-ARS）
现代栽培苹果 (Malus domestica Borkh.) 从不同的野生祖先种杂交并通过无性繁殖的方式繁衍形成，因此苹果基因组高度杂合，这对早期苹果基因组的组装是一个重大的挑战。目前具有可供利用的参考基因组的栽培苹果主要有双单倍体品系GDDH13和三单倍体HFTH1 【3,4】 。而苹果野生祖先种M. baccata只有基因组草图。基因组的不完善特别是野生祖先种基因组信息的缺乏对苹果的起源、驯化和演化历程的研究具有较大的限制。
研究人员通过二代测序和三代测序 (PacBio HiFi sequences) 相结合的方法对杂合的二倍体栽培苹果以及两种野生祖先种M. sieversii和 M. sylvestris进行基因组测序，并通过分相二倍体基因组 (Phased diploid genome) 组装的方法获得了高准确度和高连续性的组装片段，得到目前最高质量的苹果参考基因组。通过对栽培苹果Gala和祖先种M. sieversii及M. sylvestris的单倍型基因组的分析，鉴定到广泛的基因组变异位点和栽培苹果中的杂交重组区域。研究人员推断栽培苹果基因组中大约有28~40%的部分来源于M. sieversii，有25~37%的部分源自M. sylvestris，栽培苹果Gala的杂合基因组中同时源自于两个祖先种的部分占23%。
同时研究人员还收集了这三类苹果中共91个不同的品种进行深度重测序并构建了泛基因组。通过深度测序鉴定到栽培苹果基因组中来源于野生祖先种部分的选择性清除与其重要性状的驯化具有显著的关联。泛基因组研究发现了上千个新基因，其中栽培种中有数百个基因从祖先种中被选择并固定下来，揭示了在苹果驯化的过程中通过杂交的方式导入新基因或新的等位基因具有非常关键的作用。
分相二倍体基因组的组装为高分辨率的等位基因特异性表达 (allele-specific expression, ASE) 分析提供了极大的帮助。对栽培苹果果实发育的13个不同时期的转录组进行分析，通过主成分分析显示苹果果实转录组的表达主要表现为全基因组范围的等位基因特异性表达特征，其次在不同发育时期表现出一定的差异。同时发现大约有19%的基因表现为等位基因特异性表达，许多ASE基因与果实的发育和品质相关，例如编码ACC氧化酶的基因以及与果实成熟相关的RIN-like MADS-box转录因子等。
综上所述，该研究利用三代测序技术组装了目前最高质量的栽培苹果及其两个野生祖先种的参考基因组，同时通过泛基因组研究解析了栽培苹果驯化历程的遗传基础。该研究得到的苹果驯化历程中的遗传信息为植物育种家对果树品质、风味和口感等多种性状的改良给予了理论支持，对果树抗逆、抗病等适应性方面的改良和研究同样提供了帮助，对未来苹果的育种提供了非常有价值的遗传信息资源。
参考文献：
[1] 陆秋农. 柰的初探. 落叶果树, 1994, (1):9
[2] Duan, N. et al. Genome re-sequencing reveals the history of apple and supports a two-stage model for fruit enlargement. Nat. Commun. 8, 249 (2017).
[3] Daccord, N. et al. High-quality de novo assembly of the apple genome and methylome dynamics of early fruit development. Nat. Genet. 49,1099–1106 (2017).
[4] Zhang, L. et al. A high-quality apple genome assembly reveals the association of a retrotransposon and red fruit colour. Nat. Commun. 10, 1494 (2019).
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