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顶级期刊揭秘!香蕉熟得快不快,甜不甜,原因都在这里

2019-08-06 77文献解读香蕉基因组

7月15日,中国热带农业科学院热带生物技术研究所金志强研究员团队联合华大基因、法国国际农业研究中心等单位完成并发布了双单倍体香蕉野生种M. balbisiana 的精细基因组图谱。9份香蕉种质材料重测序、44份香蕉样品转录组测序数据还表明,香蕉A、B亚基因组有显著结构差异,香蕉成熟速度、品质、口感等性状也有相应的遗传基础。以上研究成果发表于《Nature Plants》。

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香蕉是芭蕉科芭蕉属植物,起源于东南亚和西太平洋地区,现已成为全球出口量最大的水果,年交易额达100亿美元。现代可食用香蕉品种超过100种,它们在形态特征、营养成分等方面呈现丰富差异。这些品种大多是来源于2个古老的香蕉祖先种——M. acuminate(A) 和M. balbisiana (B) 的种内或种间杂交。香蕉A基因组精细组装图谱已在2012年发表,构建高质量的香蕉B基因组图谱对香蕉的生物学、遗传学研究意义重大,为培育高产、优质、抗逆的香蕉新品种提供了理论依据和数据支持。

以下是研究成果展示

01香蕉B基因组图谱

该项研究应用PacBio单分子测序、短读长测序、Hi-C测序技术构建了迄今为止质量最好的香蕉B基因组图谱,基因组大小为493 Mb,Contig N50为1.83 Mb,Scaffold N50 为5.05 Mb,最终定位到11条染色体上,注释得到35,148个蛋白编码基因。

香蕉熟得快不快_2

02香蕉A与香蕉B基因组特征有何差异?

研究人员按分化时间估算香蕉A, B基因组大约于540万年前分化开来;基因组比较分析表明,A基因组中扩张的基因家族较多,而B基因组中收缩的基因家族较多。A, B基因组共线性分析表明,两个亚基因组之间的72个超大共线性块在B基因组上覆盖度更低(覆盖A基因组 75%,覆盖B基因组 68%)。A, B基因组与祖先α/β 共线性块比较分析表明,B基因组单拷贝基因在基因总数中的占比高于A。

综上所述,在A,B两个祖先种分化之后,B基因组相对于A基因组的丢失重排等过程更活跃。再结合重测序数据,研究人员发现,A基因组的多态性高于B基因组。在3个异源多倍体中,两个亚基因组的染色体之间存在显著的同源交换(homoeologous exchanges)及整条染色体被替换的情况。

03粉蕉为什么比巴西蕉成熟速度快?

乙烯与采摘后香蕉成熟速度密切相关,影响果实运输、保存及采后品质。研究人员聚焦于乙烯代谢途径中的三个关键基因家族:SAMS, ACS, ACO,这3个基因家族在香蕉A, B基因组中均显著扩张,而在B基因组中,ACO家族成员更多,表达更活跃。这就揭示了粉蕉果实的成熟速度比巴西蕉快的原因:粉蕉中有B亚基因组,来自B亚基因组的ACO基因的显著扩增和偏向性高表达导致粉蕉果实中乙烯积累量高于巴西蕉,成熟速度就会比巴西蕉更快。

香蕉熟得快不快_3

04粉蕉为什么更甜?

淀粉代谢途径与香蕉果实的淀粉合成和降解相关,影响香蕉甜度和口感。研究人员分别在A,B基因组中鉴定到101、96个跟淀粉代谢相关的基因。相比于其它物种,香蕉A、B亚基因组中淀粉合成和降解相关基因显著扩张。相比于A亚基因组,来自于B亚基因组的淀粉合成和降解基因表达更活跃。这就揭示了粉蕉果实比巴西蕉更甜的原因:粉蕉中有B亚基因组,导致粉蕉在果实发育阶段积累更多的淀粉,而在采后成熟阶段大量淀粉降解成糖。

研究策略

基因组组装测序策略:Pacbio单分子测序(113X、58.99Gb数据)、短读长测序(166X、86.34Gb数据)、Hi-C(138X、71.96Gb数据);
重测序材料与测序策略:9个香蕉品种,每个样本30X短读长测序;
转录组测序材料:选取了巴西蕉(AAA)和粉蕉(ABB)的根、叶、果不同组织及不同发育时期共44个样本,完成转录组测序;

研究数据

本研究中所有测序数据均已保存在国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号:CNP0000292。

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