Nature Genetics | 福建农林大学研究团队揭示植物基因枪介导的转基因过程及番木瓜的驯化历史

责编 | 王一

2022年5月12日，福建农林大学研究团队在国际权威学术期刊Nature Genetics在线发表了题为“SunUp and Sunset genomes revealed impact of particle bombardment mediated transformation and domestication history in papaya”的研究成果。该研究破译了番木瓜转基因品种SunUp与非转基因品种Sunset高质量的基因组图谱，首次揭示了植物基因枪介导的转基因过程对基因组结构和功能的影响，以及番木瓜地理起源和驯化历史。该成果是在植物转基因过程解析方面取得的原创性突破，对深入解密植物转基因过程具有重要参考价值，对推动果树作物的基础研究以及品种改良等具有里程碑式的意义。此外，Nature Portfolio同步在线发表题为“Genomic analysis reveal domestication history and transgenic insertions in papaya”的研究简报，对该研究进行了介绍。

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Nature Portfolio研究简报

番木瓜是一种优质热带水果，在我国有“岭南佳果”之美誉，拥有“乔木葱葱滋地气，圆实累累衬红霞”的赞叹。番木瓜不仅汁多味甜，而且具有很高的营养和药用价值，在中国的早期典籍《食物本草》中就有记载。

番木瓜科由6个属共40个种组成，番木瓜属于番木瓜科番木瓜属，主要分布于热带和亚热带地区，野生番木瓜仅在墨西哥南部和中美洲发现。番木瓜于17世纪传入我国，最早在1661年的《九江乡志》书中有记载，称之为“万寿果”，说明我国栽培番木瓜至少有300多年历史了。

番木瓜

1992年，由于番木瓜环斑病毒（PRSV）的大流行，番木瓜产业面临崩溃的威胁。转基因番木瓜品种的诞生使番木瓜产业免遭PRSV的毁灭，这是番木瓜生产上的第一次革命性突破，是转基因作物拯救整个产业的一个典型的成功案例。目前番木瓜是我国批准商业化种植的唯一转基因水果作物。

然而在获得转基因植物的过程中，外源DNA片段是如何整合到核基因组上的？整合过程中植物基因组发生了哪些结构变异？这些结构变异对基因功能造成了哪些影响？这些科学问题仍然未知。

本研究以番木瓜转基因品种SunUp中基因枪轰击介导的转基因事件为研究对象，对植物转基因过程进行深入研究以期解决上述科学问题。为克服番木瓜性染色体区域以及转基因插入区域重复序列多的困难，研究者通过使用Nanopore MinION 超长reads对两个品种的基因组进行组装，结合HiC技术最终得到组装大小为351.5Mb和350.3Mb的染色体级别的基因组。番木瓜超高分辨率基因组的获得，为解密SunUp转基因过程中基因枪轰击引起的基因组结构变异和基因表达变化奠定了坚实的基础。

通过全基因组共线性分析，研究者在SunUp品种的5号染色体上发现两个大的结构变异，一个1.6 Mb的插入和591.9 Kb的缺失（图1）。研究发现，三个转基因片段均位于该1.6 Mb的插入片段上，并且三个转基因插入片段的6个侧翼序列中有5个侧翼序列来源于核质体基因组片段（NUPTs），它们在转基因过程中经历了结构变异，只有一个序列来源于核线粒体基因组片段（NUMTs）并且未发生结构变异（图1）。对1.6 Mb和591.9 Kb这两个大的结构变异上的基因进行分析，研究者意外的发现几乎所有基因都是叶绿体和线粒体基因组编码基因。通过 SunUp和Sunset品种不同发育阶段的叶和花组织的表达谱分析发现：两个结构变异上的差异表达基因中只有9个基因是单拷贝基因，表明基因枪轰击介导的转基因可引起显著的基因组结构变异，但是对基因功能造成的影响非常小，这为植物基因枪轰击介导的转基因过程对基因组结构和功能的影响提供了直接的证据。

图1. SunUp 基因组中转基因插入的整合位点。（a）SunUp和Sunset 5号染色体的共线性比对；（b）SunUp 1.6 Mb的片段插入在Sunset 5号染色体上；（c）三个转基因片段在质粒上的位置与在1.6 Mb插入片段上的位置对比；（d）三个转基因片段的6个侧翼片段在SunUp和Sunset中的比对。

SunUp和Sunset基因组的比较分析进一步发现这个由于转基因过程造成的1.6 Mb的插入片段是由77个重排和异位的片段组成，包括3个转基因片段、61个来自Sunset核基因组的片段和13个来自叶绿体和线粒体细胞器基因组的片段。其中 61个核基因组片段包括1个核基因组、18个NUMTs和42个NUPTs片段（图2）。这个结果说明转基因插入位点偏向于插入叶绿体富集区域，具有“偏好性”。通过以上发现，研究人员推测了基因枪介导的外源基因整合到基因组的可能机制：外源DNA片段整合到富含NUPTs的区域，伴随着基因组中已有的NUPTs、NUMTs和核基因组序列发生多聚化、异位以及重排。由于基因枪穿透细胞引发的损伤反应促使叶绿体和线粒体细胞器片段整合到转基因插入片段所在的多聚化区域，这种机制可能是植物自身应对外界伤害的一种精密的自我保护的调控机制（图3）。

图2. SunUp 5号染色体上的 1.6 Mb 插入片段来源分布图

图3. 外源 DNA 整合到核基因组中的模式图

番木瓜具有三种性别，是研究植物性染色体起源和演化的优异物种。野生番木瓜是雌雄异株，番木瓜两性植株是由野生种群中的MSY3类群人工驯化而来，是在4000年前玛雅文化的兴起时期产生的。虽然目前番木瓜性染色体起源和演化已经研究比较清楚了，但是番木瓜的性别决定基因还有待揭秘。通过Nanopore技术，研究者填补了之前版本中X和HSY上的缺口，HSY 区域从之前的7.8 Mb组装到9.8 Mb，X区域从5.3 Mb组装到6.0 Mb，并且在新组装的HSY和X上注释出了更多的基因，这将为深入研究性别决定区域，揭示番木瓜性别决定基因提供重要的研究基础。

番木瓜起源于墨西哥南部和中美洲，基于番木瓜的高质量参考基因组，研究人员对分布在夏威夷、中美洲、南美洲、东南亚和中国的86份栽培品种和野生种群进行遗传多样性分析，揭示了番木瓜遗传多样性主要存在于野生种质中。基于种群遗传结构分析表明栽培番木瓜分为Solo、普通番木瓜（Common）和哥斯达黎加（Costa Rican）三个类群。Solo番木瓜的特征是果实小，是夏威夷番木瓜品种的代表。普通番木瓜果实比较大，是最大的一个栽培品种类群，在驯化过程中经历了广泛杂交或野生渗入。哥斯达黎加类群是具有野生种质渗入的哥斯达黎加地方品种与夏威夷Solo品种之间产生基因交流后通过近亲繁殖稳定下来的一个类群（图4）。

之前研究表明番木瓜的性别、果实大小、种子萌发等是番木瓜驯化的主要特征。研究人员通过群体遗传分析在番木瓜6号染色体鉴定到一个受到人工选择的重要基因，该基因编码胡萝卜素生物合成途径中的zeta-胡萝卜素去饱和酶 (ZDS)，可催化ζ-胡萝卜素转化为番茄红素，在控制果肉颜色中发挥重要作用。此外，研究者们还发现一些与果实糖分代谢相关的基因也显著受到人工驯化，包括蔗糖合酶相关基因CpSUS5以及编码糖转运蛋白的基因，如单糖糖转运蛋白(CpSTP)、蔗糖转运蛋白4 (CpSUC4)和CpSWEETIE，这一结果表明番木果肉颜色、风味也是人工驯化的重要目标。

图4. 栽培和野生番木瓜的种群结构

综上，该研究通过高质量的转基因植株与其非转基因祖先的基因组之间的详细比较，首次实现了转基因过程引起的1.6 Mb 重组插入片段的单核苷酸分辨率水平的解析，揭示了基因枪轰击介导的转基因事件对基因组结构和功能的影响。番木瓜Y染色体性别决定区域的无缺口图谱将为性别决定基因的鉴定奠定坚实基础。通过番木瓜种群水平遗传分析鉴定到的人工驯化的基因将加速番木瓜分子育种的效率。

福建农林大学海峡联合研究院基因组中心青年教师岳晶晶博士为论文第一作者，美国密歇根州立大学助理教授Robert VanBuren，海峡联合研究院基因组中心已毕业博士刘娟（目前为中科院武汉植物园助理研究员），已毕业博士方静平（目前为福建师范大学副教授）为论文共同第一作者，美国伊利诺伊大学香槟校区明瑞光教授为通讯作者。中国农业科学院深圳农业基因组所张兴坦研究员、海峡联合研究院基因组中心张积森教授、唐海宝教授、美国德克萨斯农工大学于青一教授、福建农林大学基因组中心马晓开博士、黄永吉博士，科研助理徐秀明、张晟铖、邓班、邓芳、林京、赵晓兵，研究生廖振阳、陈帅、马亚影、余虹莹、周平、严寒松、Mahpara Fatima、林志聪、张小丹等参与了本项目的研究。该研究得到了福建农林大学先导项目、国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的联合资助。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01068-1

研究简报链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01030-1

第一作者简介

岳晶晶，女，讲师，硕士研究生导师。福建省A类引进博士。2015年在兰州大学获得细胞生物学博士学位。2016年-至今在福建农林大学海峡联合研究院基因组与生物技术研究中心工作。先后主持国家自然科学基金项目及福建省自然科学基金等项目5项。目前主要是以热带果树番木瓜为模式作物，开展植物性染色的演化、性别决定的机理解析以及番木瓜分子育种等相关研究。目前已经在《Nature Genetics》、《Plant Physiology》、《PLoS Genetics》、《Horticulture Research》等杂志上发表论文15篇。