中国科学家揭示葡萄无核性状遗传机制并建立全基因组育种体系

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中国科学家揭示葡萄无核性状遗传机制并建立全基因组育种体系

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网易

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无核葡萄因其高可食率和独特的口感而广受欢迎。然而，目前获取无核葡萄的方法存在诸多问题，如化学处理带来的食品安全隐患和传统育种周期过长等。近日，中国农业科学院深圳基因组研究所周永锋团队在《当代生物学》（Current Biology）上发表了一项重要研究成果，他们通过整合基因组学方法，揭示了葡萄无核性状的多基因遗传基础，并构建了一套基于机器学习的全基因组选择育种体系，为无核葡萄的高效育种开辟了新途径。

比较基因组学揭示关键变异

研究团队首先组装了两个广泛种植的无核葡萄品种——“无核白”（Thompson Seedless, TS）和“无核紫”（Black Monukka, BM）的高质量单倍型基因组。通过比较基因组学分析，发现了一个位于第10号染色体上的特有倒位变异，长度约为4.25 Mb。这个倒位区域包含两个重要的基因：蔗糖合成酶2（SUS2）和TT16/ABS基因。其中，SUS2基因在无核葡萄的单倍型中存在重复，而在另一单倍型中缺失；TT16/ABS基因则与模式植物中的种子发育调控有关。这些发现强调了组装单倍型基因组的重要性，揭示了杂合变异与半合子基因在克隆繁殖作物重要农艺性状形成中的作用。

图1：有核和无核葡萄品种的比较基因组学研究

群体遗传学解析进化基础

通过群体遗传学分析，研究团队将无核葡萄分为欧美和欧亚两个亚群。无核白（TS）和无核紫（BM）位于两个群体的中心位置，几乎所有的无核葡萄都可以追溯到无核白。这些发现支持了频繁的基因渐渗促使了无核新品种的形成。胞质变异与基因渗入等群体遗传学研究的结果也支持多次基因渗入，而非平行进化/趋同进化，导致葡萄无核性状的反复发生。

图2：葡萄无核性状的进化基因组学

数量遗传学挖掘关键基因

通过对444个葡萄样本进行全基因组关联分析（GWAS），研究人员发现了110个数量性状基因座（QTLs）和634个候选基因。其中，SDI2基因座在欧美和欧亚群体中均存在，关联到多个与种子败育相关的基因。进一步研究发现，SDInew区域中存在许多与无核相关的基因，如CYP716A17、CYP716A94、VviAGL11等。这些基因附近包含了许多高质量的变异位点，例如Chr18_30874059位点在无核葡萄中的支持率为97.83%。

图4：种子败育关键基因座的深度挖掘

整合基因组学系统解析多基因基础

结合转录组数据、种子败育相关通路基因、已报道基因家族基因以及GWAS关联的候选基因进行整合分析，最终筛选出339个核心基因，归类成13组，包括种子胚、胚乳、种皮等发育相关基因，脂质合成相关基因、种子激素调节基因、花器官调控基因、金属离子转运基因，以及糖、氨基酸合成相关基因等。这些基因在有核和无核葡萄的种子发育过程中显著差异表达，表明多基因的累加效应塑造了葡萄种子败育的特性。