為什么蟠桃是扁的？三代重測序告訴你答案 | 群體研究

大師兄第一次聽說蟠桃要從小時候看《西游記》說起，孫悟空偷吃蟠桃，毀了王母的蟠桃盛宴，熒幕上那大大、圓圓的蟠桃著實讓人口水連連。

但是，后來才知道，蟠桃其實不是那樣的，而是扁扁的、小小的，童年的美好記憶就這樣破滅了。

那么同樣是桃子，為什么蟠桃是扁的呢？近日，國際知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=8.15）在線發(fā)表了中科院武漢植物園韓月彭老師課題組及其合作單位共同的研究成果“1.7-Mb chromosomal inversion downstream of a PpOFP1?gene is responsible for flat fruit?shape in peach”，該研究發(fā)現(xiàn)在蟠桃基因組中存在1個1.7Mb的倒位，而該變異會激活其附近的基因PpOFP1表達，導致蟠桃扁平果實。在該研究中，大片段的結(jié)構(gòu)變異的檢測是分析的基礎，而三代測序技術(shù)能夠高效地助力大片段倒位的發(fā)現(xiàn)。今天大師兄為大家奉上文章解讀，以饕讀者。

 

研究背景

桃起源于250萬年前的中國青藏高原的西南部，在中國已有4000年的栽培史，其中有一個獨特變種—蟠桃，蟠桃果實呈扁平狀，體積較小，和我們常見的圓形桃子有明顯區(qū)別，雖然長相一般，不過它具有酸度低、糖含量高等優(yōu)異品質(zhì)，受到越來越多的消費者喜愛。蟠桃果實扁平的特征受6號染色體上的S位點調(diào)控，同時S位點與控制鮮重和果實敗育位點緊密連鎖。關(guān)于S位點的基因定位研究有多次報道，發(fā)現(xiàn)2個臨近候選基因（CAD1和LRR-RLK）與果實扁平的性狀共分離，但后續(xù)又有研究顯示這2個基因并非與CAD1和LRR-RLK共分離。所以，對于扁桃扁平性狀的遺傳基礎研究仍待繼續(xù)。

 

研究思路

 

主要結(jié)果

 

 

1、三代測序發(fā)現(xiàn)1.7Mb的倒位與桃子扁平性狀共分離

對蟠桃品種“124蟠”進行三代和二代重測序，三代測序共得到10x數(shù)據(jù)，subreads平均長度11.3kb。使用illumina數(shù)據(jù)對三代數(shù)據(jù)進行糾錯，糾錯后的三代reads與參考基因組比對call SV，在6號染色體開發(fā)得到394個缺失、252個插入、9個倒位，其中在S位點下游得到一個1.7Mb的倒位，該倒位位點在“124蟠”中存在2種單倍型H1（不含倒位）和H2（含倒位）（圖1A）。作者使用3個F1分離群體和一個自然群體，分析這些樣品在倒位位點的基因型，發(fā)現(xiàn)圓桃的基因組均為H1/H1，而扁桃為H1/H2（圖1B）。以上結(jié)果說明1.7Mb的倒位與果實形狀存在共分離。

 

圖1?? 6號染色體上S位點下游的1.7Mb倒位以及其在不同表型樣品中的分型

 

2、圓桃和扁桃的基因表達分析比較

通過比較扁桃和圓桃果實發(fā)育過程中果實縱徑和果實橫徑的變化，發(fā)現(xiàn)在S2時期兩者果實增長均較快（圖2），于是作者在S2時期選擇多個扁桃和圓桃進行轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)果在S位點附近發(fā)現(xiàn)1個在扁桃中上調(diào)差異表達基因rupe.6G290900（PpOFP1）（圖3A）。PpOFP1與AtOFP1和SlOFP20為同源基因，2個基因分別負調(diào)控擬南芥細胞伸長以及番茄子房發(fā)育，從而說明PpOFP1很有可能是引起果實形狀變化的候選基因。在果實發(fā)育S2期，扁桃果實中PpOFP1表達量顯著高于圓桃（圖3D，E），RNA原位雜交也顯示PpOFP1基因在外皮層和內(nèi)皮層細胞分裂區(qū)，該結(jié)果再次證實PpOFP1在果實縱向發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。

 

圖2?不同表型桃發(fā)育階段的形態(tài)變化

 

圖3?圓桃和扁桃果實中基因表達分析

 

3、PpOFP1基因序列變異與性狀差異無關(guān)

? ? 既然推測PpOFP1與桃子性狀變異相關(guān)，作者分析了PpOFP1基因內(nèi)、上游225kb、下游120kb范圍內(nèi)序列信息，雖然在圓桃和扁桃品種之間存在很多遺傳變異，但這些變異和果實性狀（圓形和扁平）并沒有表現(xiàn)出共分離的關(guān)系。不過，作者卻發(fā)現(xiàn)1.7Mb的染色體倒位只出現(xiàn)在比扁桃中，而在圓桃中無此變異。綜合上述基因表達分析結(jié)果表明，作者發(fā)現(xiàn)1.7Mb的染色體倒位可以激活蟠桃中PpOFP1表達，而PpOFP1的過表達則會產(chǎn)生果實扁平的性狀。

4、PpOFP1基因功能進一步驗證

??? 為驗證PpOFP1作為負向調(diào)控因子調(diào)控果實縱徑發(fā)育，作者將PpOFP1轉(zhuǎn)入擬南芥進行異源過表達分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因個體葉片呈卵形并且比野生型個體的要小（圖4A，D），葉片長寬比也低于野生型。同時，相較于野生個體，轉(zhuǎn)基因個體的長角果長度也縮短，并且轉(zhuǎn)基因個體的果實長度更短（圖4A，D）。這些結(jié)果說明PpOFP1通過抑制細胞的伸長，參與桃子果實形狀發(fā)育的調(diào)控。

前期研究發(fā)現(xiàn)OFP基因家族與TRM基因家族存在互做來調(diào)控植物器官形狀，于是作者分析了可能與PpOFP1互做的TRM基因，在桃子基因組中篩選到1個可能的互做基因PpTRM17，通過酵母雙雜（圖4E）和螢火蟲熒光素酶雙分子互補實驗（圖4F），發(fā)現(xiàn)PpOFP1能夠與PpTRM17存在互做關(guān)系。

 

圖4 PpOFP1在擬南芥中異源過表達個體表型以及其PpTRM17互做分析

 

總結(jié)

文章結(jié)合三代測序、轉(zhuǎn)錄組測序、轉(zhuǎn)基因、蛋白互做分析等發(fā)現(xiàn)和證明了蟠桃變扁的原因，蟠桃6號染色體上存在1個1.7Mb的倒位，而在圓桃中并不存在，該遺傳變異的產(chǎn)生可以激活PpOFP1表達，而PpOFP1的過表達可以抑制桃子果實的縱向發(fā)育，從而形成蟠桃扁平的表型。文章從側(cè)面也反映出引起性狀變異的原因不僅僅是基因序列上的差異，大的結(jié)構(gòu)變異同樣也會造成性狀的變化?？傮w來說，文章思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴謹，為林木等多年生物種開展重要性狀的遺傳研究提供新的思路，文章后續(xù)也可以結(jié)合染色體互做分析（如Hi-C）去探究倒位區(qū)域與PpOFP1之間的互做關(guān)系，分析增強子在桃子果實發(fā)育中的重要作用。

 

參考文獻

Zhou, H., Ma, R., Gao, L., Zhang, J., Zhang, A., Zhang, X., Ren, F., Zhang, W., Liao, L., Yang, Q., Xu, S., Otieno Ogutu, C., Zhao, J., Yu, M., Jiang, Q., Korban, S.S. and Han, Y. (2020), A 1.7‐Mb chromosomal inversion downstream of a PpOFP1?gene is responsible for flat fruit shape in peach. Plant Biotechnol J. Accepted Author Manuscript. doi:10.1111/pbi.13455