The genome evolution and domestication of tropical fruit mango

First author: Peng Wang; Affiliations: Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences (中国热带农业科学院热带作物遗传资源研究所): Hainan, China

Corresponding author: Yeyuan Chen 

Mango is one of the world’s most important tropical fruits. It belongs to the family Anacardiaceae, which includes several other economically important species, notably cashew, sumac and pistachio from other genera. Many species in this family produce family-specific urushiols and related phenols, which can induce contact dermatitis. We generate a chromosome-scale genome assembly of mango, providing a reference genome for the Anacardiaceae family. Our results indicate the occurrence of a recent whole-genome duplication (WGD) event in mango. Duplicated genes preferentially retained include photosynthetic, photorespiration, and lipid metabolic genes that may have provided adaptive advantages to sharp historical decreases in atmospheric carbon dioxide and global temperatures. A notable example of an extended gene family is the chalcone synthase (CHS) family of genes, and particular genes in this family show universally higher expression in peels than in flesh, likely for the biosynthesis of urushiols and related phenols. Genome resequencing reveals two distinct groups of mango varieties, with commercial varieties clustered with India germplasms and demonstrating allelic admixture, and indigenous varieties from Southeast Asia in the second group. Landraces indigenous in China formed distinct clades, and some showed admixture in genomes. Analysis of chromosome-scale mango genome sequences reveals photosynthesis and lipid metabolism are preferentially retained after a recent WGD event, and expansion of CHS genes is likely associated with urushiol biosynthesis in mango. Genome resequencing clarifies two groups of mango varieties, discovers allelic admixture in commercial varieties, and shows distinct genetic background of landraces.

背景：芒果是世界范围上最重要的热带水果之一。芒果属于漆树科（Anacardiaceae），该科内含包含其它几种重要的经济植物，比较知名的有腰果、漆树以及开心果。该家族的很多植物物种都会生产家族特异性的漆酚（urushiols）以及相关的酚类，这些物质会诱发接触性皮炎。结果：本文中，作者报道了一个染色体级别的芒果基因组草图，为漆树科的植物提供了一个参考基因组。作者在芒果基因组中鉴定到了一个近期发生的全基因组复制事件（～33个百万年）。全基因组复制事件中优先保留下来的复制基因包括光合作用、光呼吸以及脂类代谢相关的基因，可能为芒果祖先针对于该历史时期大气二氧化碳和全球气温的急剧下降提供了适应性优势。芒果基因组中一个显著扩张的基因家族是查尔酮合酶（chalcone synthase，CHS）家族的基因，并且该家族中的某些基因在果皮中的表达普遍高于在果肉中的表达，这些基因可能作用于漆酚以及相关酚的生物合成。全基因组重测序分析显示芒果品种可以分为两个不同的群体，其中商业栽培种与印度种质聚在一起，并且存在来自第二个群体东南亚本土品种的等位基因混杂。另外，在东南亚群体中，来自中国的本土品种形成了两个不同的亚群，并且其中部分品种的基因组上也存在基因混杂的情况。结论：对于芒果染色体水平的全基因组序列分析揭示了在全基因组复制事件之后，与光合作用以及脂类代谢相关的复制基因被优先保留了下来。另外，查尔酮合酶基因的扩张很有可能与芒果中漆酚的生物合成相关。全基因组重测序分析将芒果品种聚类为两大类群，并且发现了商业栽培种基因组上存在等位基因混杂的情况，而且不同的本土品种也存在完全不同的遗传背景。

关于全基因组复制事件，Wu et al于2019年研究了被子植物全基因组复制事件，发现在～120个百万年、~66个百万年以及<20个百万年三个时间节点很多植物支系均存在WGD事件（2019年，Molecular Plant；https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.10.012）。其中，在约120个百万年前，单子叶与双子叶植物各自的祖先在分化之前都发生过全基因组复制事件，分别叫做τ和γ复制事件。并且，这两次古老的全基因组复制事件保留下来的基因多与水分获取以及盐胁迫相关，而对应的时间区间正好处于干旱的白垩纪时期，因此推测这两次全基因组复制事件为该时期植物物种适应恶劣的生存环境提供了遗传基础。此外，在66个百万年前左右（第五次生物大灭绝事件）以及<20个百万年前（全球变冷、CO2浓度较低），单、双子叶植物内部很多支系都独立发生了全基因组复制事件，且保留下来的基因也大都与对应时期植物所面对的环境胁迫相关。而本文在芒果基因组中检测到的全基因组复制事件发生于33个百万年前，根据本文的叙述，在70个百万年前左右漆树科与芸香科、无患子科分化，而在54.8–74.9个百万年前漆树科祖先也分化形成了不同的属，时间对得上66个百万年前的时间节点，感觉这里可能会有一次全基因组复制事件，可能是信号被后面的WGD给屏蔽了？也有可能就没有，毕竟不一定所有的植物支系都需要通过全基因组复制事件来应对恶劣的气候环境。在翻阅了无患子科的龙眼（2017年，GigaScience；https://doi.org/10.1093/gigascience/gix023）以及芸香科的甜橙（2013年，Nature Genetics；https://doi.org/10.1038/ng.2472）基因组文献后，发现这两个物种基因组上检测到的全基因组复制事件均是比较古老的WGD（可能是所有双子叶植物共享的gamma事件），所以基本确定这三个科在66个百万年前这个时间点是没有发生全基因组复制事件的。

通讯：陈业渊 (http://www.catas.cn/rczjk/contents/1839/21.html)

个人简介：1980-1984年，华南农业大学，学士；2006-2011年，海南大学，博士。

研究方向：热带作物种质资源。

doi: https://doi.org/10.1186/s13059-020-01959-8

Journal: Genome Biology

Published date: March 06, 2020

p.s. 中国热科院新闻链接：http://www.catas.cn/contents/5/145332.html