中国农科院揭示无核葡萄的基因遗传基础

作者：iPlants 2024/8/5 13:56:14

近日，中国农业科学院深圳基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心，以下简称“基因组所”）周永锋课题组在《当代生物学（Current Biology）》上在线发表了题为“Integrative genomics reveals the polygenic basis of seedlessness in grapevine”的研究论文。该研究利用比较基因组学、群体遗传学、数量遗传学

近日，中国农业科学院深圳基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心，以下简称“基因组所”）周永锋课题组在《当代生物学（Current Biology）》上在线发表了题为“Integrative genomics reveals the polygenic basis of seedlessness in grapevine”的研究论文。该研究利用比较基因组学、群体遗传学、数量遗传学和整合基因组学等方法探索了无核葡萄重要的结构变异、进化起源和多基因遗传基础，并构建了一套基于机器学习的无核性状全基因组选择育种体系，有效提高选育效率、降低育种成本、缩短育种年限，为无核葡萄育种开辟了捷径。

该研究通过组装高质量的“无核白”（又名“汤姆森无核”，Thompson Seedless）和“无核紫”（Black Monukka）葡萄的单倍型基因组，利用比较基因组方法发现了一个位于Chr10中约4.25 Mb的半合子倒位，并在倒位的断点处发现了与种子发育相关的VvTT16和VvSUS2基因，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。无核葡萄的群体血缘同源分析表明，几乎所有的无核品种都保留了“无核白”的血统，多次基因渗入而非趋同进化，导致葡萄无核性状的反复发生。通过全基因组关联分析，研究人员发现了110个数量性状基因座和634个候选基因，例如11S球蛋白种子贮藏蛋白、细胞色素P450、以及之前广泛关注的VviAGL11等基因。整合基因组学分析筛选出了339个核心基因，归类成13组，例如种子胚、胚乳、种皮等发育相关基因，脂质合成相关基因、种子激素调节基因等，表明多基因的累加效果塑造了葡萄种子败育的特性。基于机器学习的基因组选择方法，仅需45个变异位点便可将无核葡萄的预测准确率提升到了97%。该育种体系有效提高选育效率、降低育种成本、缩短育种年限，为无核葡萄育种开辟了新的途径。此项研究揭示了葡萄无核性状的多基因调控的本质，提供了重要的数量基因座和候选基因，并提供了一种有效预测葡萄无核性状的方法，为葡萄基因组设计育种奠定了理论基础。

中国农业科学院深圳农业基因组所周永锋研究员为该文章的通讯作者，都柏林大学联培博士生王旭、基因组所博士后刘众杰为该文章的共同第一作者，基因组所博后张帆、王怡雯、肖华，博士生苏颖、硕士生曹硕、侯婷等周永锋团队成员参与了此研究，新疆农业科学院园艺作物研究所张付春研究员、伍新宇研究员、钟海霞副研究员，西北农林科技大学园艺学院刘国甜副教授对这项研究提出了宝贵的意见。该研究获得了国家重点研发计划、国家优秀青年科学基金（海外）、国家自然科学基金、新疆农业科技革新稳定支持、中央政府引导地方科技发展专项资金项目等项目的支持。

原文链接：DOI:https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.07.022

团队介绍：

团队首席科学家周永锋研究员，博士生导师，国家海外优青获得者，中国农科院“杰出青年英才“，深圳市海外高层次人才。2003-2010年在兰州大学学习，2007年本科毕业于生物科学专业，2010年博士毕业于生态学专业；2010-2021年在欧洲和美国工作学习，2012年博士毕业于芬兰奥卢大学，群体遗传学专业，师从芬兰科学院院士、著名植物群体遗传学家Outi Savolainen教授；2014至2020年在美国加州大学尔湾分校美国艺术与科学院院士、著名进化基因组学家Brandon Gaut教授课题组，承担博士后与助理科学家工作。

周永锋团队长期专注于葡萄全基因组设计育种工作，开展了葡萄驯化的群体遗传学研究，揭示了克隆繁殖作物的群体遗传学特性；探索了葡萄驯化中基因渗入与驯化成本；深入解析了葡萄重要农艺性状与抗性性状的遗传基础，建立了葡萄全基因组选择育种体系；鉴定了重要农艺与抗性性状相关的有益变异、有害变异与结构变异，为葡萄全基因组设计育种奠定了基础。近五年在国际学术期刊发表论文60余篇，其中以第一作者或通讯作者在Nature Genetics, PNAS、Nature Plants、Molecular Biology and Evolution等期刊等杂志发表SCI论文共40余篇。研究成果被Nature Plants, Science Daily等多家科研媒体报道。SMBE，GSA，ESEB，ISHS等学会会员；欧盟科学研究基金（ERC）评委；Horticulture Research副主编，Journal of Integrative Agriculture,BMC Genomics, Fundamental Research和《果树学报》等期刊编委成员。

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