Comprehensive genomic and phenotypic analyses reveal the genetic basis of fruit quality in litchi

研究背景

荔枝是東南亞一種重要的經(jīng)濟水果作物，以其獨特的風(fēng)味和營養(yǎng)價值而聞名。荔枝起源于中國云南省，具有2000多年的栽培史，由于長期的自然選擇和在不同氣候及種植條件下的人工育種，孕育了豐富的種質(zhì)資源，可用于性狀持續(xù)的遺傳改良。至今已有許多工作是從表型性狀來研究和評估荔枝的多樣性，然而，相應(yīng)的遺傳變異未被充分的挖掘利用，尤其是能夠代表大量遺傳信息的核心種質(zhì)，群體遺傳結(jié)構(gòu)不清晰，許多重要育種性狀如果實大小、風(fēng)味、種子大小等調(diào)控果實品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)仍有待深入探索。

研究內(nèi)容

該研究中對來自國家荔枝種質(zhì)資源圃（廣州）從全球收集的276份具有代表性荔枝種質(zhì)資源進行了重測序，測序深度20X，并鑒定出3450萬個高質(zhì)量的雙等位基因SNP，構(gòu)成了迄今為止荔枝（乃至整個無患子科）最全面的遺傳變異圖譜。

隨后，分析了群體結(jié)構(gòu)，在基因組水平上揭示了群體之間的遺傳變異水平和親緣關(guān)系，分析表明該群體內(nèi)存在四個主要亞群：YNG（云南亞群，來自云南野生、廣西大興的種質(zhì)）、HNG（海南亞群，來自海南和廣地博白的種質(zhì)）、FGG1, 和FGG2亞群（包含來自福建和部分廣東、廣西的種質(zhì)）。YNG的核苷酸多樣性低于HNG、FGG1和FGG2的，LD遺傳距離的大于其他三個亞群(圖1)。

圖1-荔枝群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性

通過對21個果實品質(zhì)相關(guān)性狀進行表型分析，發(fā)現(xiàn)果實性狀在許多方面表現(xiàn)出極大的多樣性，例如果實大小、種子大小、糖酸含量等方面。進一步并結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)研究，鑒定了總計460個與果實性狀顯著相關(guān)的SNP和1,807個候選基因，其中包含大量負責調(diào)控種子和果實品質(zhì)性狀的候選基因和基因組位點，并篩選出了幾個與種子早期發(fā)育相關(guān)的候選基因。特別是，利用高效液相色譜（HPLC）方法測定了190個荔枝品種果實的糖組分和含量，隨后，以蔗糖和葡萄糖的含量作為性狀進行GWAS分析，在7號染色體上檢測到一個強關(guān)聯(lián)峰這個關(guān)聯(lián)峰位于基因LITCHI009111（LcSAI）的基因體區(qū)域內(nèi)，該基因編碼β-果糖呋喃苷糖酶，也稱為轉(zhuǎn)化酶（invertase），該酶催化蔗糖分解為葡萄糖和果糖，并通過原核表達和轉(zhuǎn)基因等方法驗證了該基因的功能。通過比較LcSAI蔗糖和還原糖種質(zhì)中的差異，開發(fā)了一個與糖組分和含量緊密連鎖的分子標記，可用于荔枝育種的早期篩選，縮短育種周期。

圖2-荔枝果實性狀表型的多樣性

圖3-LcSAI 在荔枝果實的糖分積累中的作用

研究總結(jié)

綜上所述，該研究揭示了荔枝的遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)，通過全面的基因組分析和表型分析，闡明了果實品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)為理解荔枝果實品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)提供了寶貴資源和知識，為進一步的遺傳改良貢獻了理論基礎(chǔ)。

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