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National Science Review:柑橘无融合生殖的演化研究

已有 2805 次阅读 2022-6-16 17:46 |个人分类:每日摘要|系统分类:论文交流

Structural variation and parallel evolution of apomixis in citrus during domestication and diversification

第一作者Nan Wang

第一单位华中农业大学

第一通讯Xiuxin Deng


 Abstract 

背景回顾Apomixis, or asexual seed formation is prevalent in the Citrinae via a mechanism termed nucellar or adventitious embryony. Here, multiple embryos of a maternal genotype form directly from nucellar cells in the ovule and can outcompete the developing zygotic embryo as they utilize the sexually derived endosperm for growth. Whilst nucellar embryony enables the propagation of clonal plants of maternal genetic constitution, it is also a barrier to effective breeding through hybridization. 


主要研究To address the genetics and evolution of apomixis in the Citrinaea chromosome-level genome of Hongkong kumquat (Fortunella hindsii) was assembled following a genome-wide variation map including structural variants (SVs) based on 234 Citrinae accessions. 


结果1-变异图谱This map revealed that hybrid citrus cultivars shelter genome-wide deleterious mutations and SVs into heterozygous states free from recessive selection, which may explain the capability of nucellar embryony in most cultivars during Citrinae diversification. 


结果2-平行演化机制Analyses revealed that parallel evolution may explain the repeated origin of apomixis in different genera of Citrinae. Within Fortunella, we found that apomixis of some varieties originated via introgression. In apomictic Fortunella, the locus associated with apomixis contains the FhRWP gene, encoding an RWP-RK domain-containing protein previously shown to be required for nucellar embryogenesis in Citrus


结果3-ARID-RWPWe found the heterozygous SV in the FhRWP and CitRWP promoters from apomictic Citrus or Fortunella due to either two or three Miniature inverted transposon element (MITE) insertions. A transcription factor FhARID, encoding an AT-rich interaction domain-containing protein binds to the MITEs in the promoter of apomictic varieties which facilitates induction of nucellar embryogenesis. 


结论This study provides evolutionary genomic and molecular insights into apomixis in Citrinae and has potential ramifications for citrus breeding.


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 背 景 

柑橘既是世界也是我国第一大果树,自上个世纪80年代以来,我国柑橘栽培面积和产量持续增长,据统计2020年柑橘总产量已达到4500余万吨。我国是柑橘的起源地之一,栽培品种类型繁多,柑、橘、橙、柚、葡萄柚、柠檬、金柑、杂柑等都有规模化的栽培。柑橘广泛存在无融合生殖的特性,导致后代基因型和母本保持一致,阻碍了柑橘的杂交育种进程。因此,研究柑橘无融合生殖对于加速柑橘遗传改良具有重要意义。此外,无融合生殖还被运用于作物的杂种优势固定,具有重要应用前景,对我国种业发展具有重要意义。柑橘是研究孢子体无融合生殖的模式材料,解析柑橘无融合生殖的遗传机制,能够为作物杂种优势固定提供新的思路。柑橘中的金柑属在我国具有悠久的栽培历史,山金柑 (Hongkong kumquat, Fortunella hindsii) 是金柑属的一种常绿野生果树,其植株矮小,童期短,开花早,实生苗一至两年便可开花结果。并且山金柑具有无融合生殖和有性生殖两种类型。


华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室邓秀新院士团队于2017年在Nature Genetics上发表题为“Genomic analyses of primitive, wild and cultivated citrus provide insights into asexual reproduction“的研究论文,回答了柑橘属无融合生殖的关键基因和遗传机制。并于2019年在Plant Biotechnology Journal 上发表题为” Genome sequencing and CRISPR/Cas9 gene editing of an early flowering mini citrus (Fortunella hindsii) “的研究论文,发布了金柑属山金柑的基因组草图和鉴定了不同生殖类型的山金柑分类群。


 问 题 

​理解植物无融合生殖的起源和进化是现代进化生物学最具挑战性的问题,无融合生殖被认为具有避免有性生殖过程中产生不利基因组负担的短期进化优势,能够避免不利基因的组合以及有利基因型的分离。无融合生殖在柑橘不同属间均有发生,其进化机制一直还不明确;同一个属内的不同种间也存在不同的生殖模式,其性状的传播路线也不清晰;并且杂交起源的现代栽培柑橘均具有无融合生殖的特性,阻碍了柑橘的遗传改良。近二十年来,基因组测序技术的进步和群体遗传学的发展为解析作物进化提供了新的工具和思路。


 结 果 

邓秀新院士团队利用短童期山金柑为材料进行了高质量染色体级别基因组的组装和遗传群体构建,实现了金柑属无融合生殖关键基因的定位。结合柑橘不同属材料的全基因组重测序数据,进一步解析了金柑属和柑橘属无融合生殖表型的平行进化机制。该研究发现,杂交起源的柑橘群体能够通过无融合生殖来保持杂交优势,并导致无融合生殖的关键MITE插入以杂合子形式存在,首次提出了无融合生殖在柑橘分化和驯化过程中的重要作用。


 作者贡献 & 致谢 

华中农业大学博士生王楠为该论文第一作者,邓秀新院士为该论文通讯作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋教授、昆士兰大学Anna M.G. Koltunow教授和加州大学尔湾分校Brandon S. Gaut教授参与了论文的具体指导。中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文教授和加州大学河滨分校Danelle Seymour博士在课题实施过程中的提供了重要意见和建议。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。



 邓秀新 

个人简介:

1978-1981年,湖南农业大学,学士;

1982-1984年,华中农业大学,硕士;

1985-1987年,华中农业大学,博士。


研究方向

1)种质资源挖掘与利用:野生柑橘资源的收集评价,芽变材料的筛选鉴定,新品种选育;

2)种质创新与遗传改良:杂交群体创建,遗传连锁图谱构建,纯系创制,遗传转化及功能基因组平台构建;

3)果实色泽形成机理与调控:红肉突变体性状形成机理解析,类胡萝卜素代谢调控关键基因挖掘,质体发育分化,类胡萝卜素代谢工程;

4)柑橘生殖生物学研究:单/多胚性状形成机理解析;

5)产业宏观问题研究:现代农业产业体系运行机制,产业安全及可持续发展研究。


doi: https://doi.org/10.1093/nsr/nwac114


Journal: National Science Review

Published date: June 14, 2022

Cite:
Nan Wang, Xietian Song, Junli Ye, Siqi Zhang, Zhen Cao, Chenqiao Zhu, Jianbing Hu, Yin Zhou, Yue Huang, Shuo Cao, Zhongjie Liu, Xiaomeng Wu, Lijun Chai, Wenwu Guo, Qiang Xu, Brandon S Gaut, Anna M G Koltunow, Yongfeng Zhou, Xiuxin Deng. Structural variation and parallel evolution of apomixis in citrus during domestication and diversification. National Science Review, 2022. https://doi.org/10.1093/nsr/nwac114



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