基因组所联合国内外学者发表首个葡萄完整参考基因组

近日，基因组所周永峰课题组联合美国、法国、意大利、德国和智利等国葡萄学研究团队，绘制了首个葡萄端粒到端粒（T2T）完整参考基因组图谱（PN_T2T），深入解析葡萄着丝粒区域的结构和基因簇捕获，发现了九代自交材料PN40024中顽固高杂合区域的重要生物学功能。该研究成果以封面文章发表在《园艺研究（Horticulture Research）》上，以致敬沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型七十周年。

该研究基于高度纯合（九代自交）的葡萄（PN40024）进行三代基因组测序，组装了一个端粒到端粒的完整参考基因组（PN_T2T）。2007年，首个葡萄基因组PN40024发表，为葡萄遗传育种和种质资源改良提供了宝贵的数据支持，然而，该参考基因组包含了近万个缺口，着丝粒、端粒和重复区域缺失，限制了重复序列、着丝粒和端粒区域的可及性，以及这些区域重要农艺性状的遗传学研究。16年后，葡萄首个T2T参考基因的发表，最终弥补了这一缺陷，是葡萄生物学与育种研究的又一里程碑事件。

PN40024是高度纯合的自交系葡萄，该研究对其进行了三代测序，用Hifiasm进行初步组装，参考已发表的葡萄基因组（12X.v0），借助Mummer对38条Contig进行校正和搭建，获得了仅有1个gap的染色体水平葡萄基因组，经过填补gap后获得了大小为494.78 Mb，contig N50高达25.93 Mb的无间隙基因组（PN_T2T），填补了12X.v0的9429个缺口，BUSCO评估基因组完整性为98.5%。通过注释，共获得了37534个基因和41064个转录本，比12X.v0多9018个基因；基因组的重复序列注释为66.47%，TE占比为63.9%。

图1 | 葡萄参考基因组的T2T无间隙组装

研究人员检查了每条染色体两端的150 kb序列，端粒重复单元的长度范围设置为5至12 bp。最后，检测到PN_T2T基因组中的36个端粒（TTTAGGG/CCCTAAA）。为了检测着丝粒区域，该研究对30至500 bp的候选重复序列进行搜索，使用TRF在PN_T2T基因组中发现了470个不同的重复单位，其中107个bp重复是全基因组中最丰富的重复单元，其次是321 bp，214 bp和135 bp重复单元。完整的着丝粒组装，为研究着丝粒区域的基因提供了可能。作者在着丝粒区域共鉴定到343个基因，其中包括179个具有Uniprot ID的基因。通过GO功能注释、富集分析，发现多个基因富集到与蛋白质结合、生长素转运蛋白、生殖发育、光形态发生等通路。

图2 | 基因组中着丝粒的结构及其着丝粒捕获基因

基于葡萄T2T基因组，作者总共鉴定到377个基因簇，这通常涉及局部重排，他们发现部分基因簇长达数Mb，包含了数十到数百个基因。在16号染色体（23-27 Mb）上，有599个基因富集的结构域。在18号染色体（25~36 Mb）上，有1237个基因富集结构域。其中，许多强富集的结构域是植物抗病基因（R基因）结构域的一部分，这些R基因和基因簇为探索植物防御机制提供了重要线索。

此外，虽然经过9代自交的PN40024，有着99.8%的纯和度，但作者在染色体上仍发现9个高度杂合的区域。结果表明杂合区域的基因显著富集在对水分缺乏的反应、植物蛋白磷酸化、细胞分裂、对氧化应激的反应和对盐应激的反应通路中，这与植物的关键生理活性密切相关。

图3 | 九代自交葡萄材料中的杂合基因组区段及其生物学功能

本研究联合了中国、美国、法国、意大利、德国和智利等国葡萄学研究团队，在葡萄基因组发表16年后，首次绘制了葡萄完整基因组图谱，对葡萄学界具有重要意义。首次深入分析了葡萄着丝粒区域的结构及其捕获基因功能。更有趣的是，发现了九代自交材料中顽固的杂合区域及其重要生物功能。完整的PN_T2T参考基因组为未来葡萄育种和遗传改良提供有力的数据支持，可用于找回葡萄多个重要农艺性状的丢失的遗传力，同时为未来葡萄遗传学与育种研究开辟了丰富的可能性。

硕士生史小丫、曹硕，博士生王旭为论文的共同第一作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋研究员和肖华博士、南京农业大学程宗明教授和法国斯特拉斯堡大学Camille Rustenholz博士为论文的共同通讯作者。来自西北农林科技大学房玉林教授、中国农业科学院郑州果树研究所刘崇怀研究员、中国农业科学院果树研究所王海波研究员、新疆农业科学院伍新宇研究员和钟海霞副研究员、中科院植物所王毅博士、法国斯特拉斯堡大学Komlan Avia博士和Amandine Velt博士、德国比勒菲尔德大学Daniela Holtgräwe博士、西班牙阿拉贡农业研究与技术中心Jérôme Grimplet博士、西班牙瓦伦西亚大学José Tomás Matus博士、美国纽约冷泉港实验室Doreen Ware教授等国际合作者参与了该研究。该项目得到了国家自然科学基金优秀青年科学家基金（海外）、农业科技创新计划、深圳科技计划，欧盟地平线项目以及德国联邦教育及研究部（BMBF）等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhad061