西瓜三代基因組＋BioNano＋群體再發NG

2019年11月1日，北京市農林科學院許勇團隊、中國農科院鄭州果樹所劉文革團隊、美國康奈爾大學Boyce Thompson研究所費章君團隊和中國農科院深圳基因組所黃三文團隊等合作在國際學術期刊Nature Genetics在線發表了題為Resequencing of 414 cultivated and wild watermelon accessions identifies selection for fruit quality traits的研究成果。該研究利用三代測序技術完成了西瓜品種“97103”新的基因組精細圖譜繪製，結合414份西瓜二代重測序數據，利用群體基因組分析及全基因組關聯分析對西瓜的進化、馴化歷史進行了解析。武漢未來組承擔了該研究中的PacBio基因組測序、HiC測序、Bionano測序以及PacBio全長轉錄組測序工作。

西瓜(Citrullus lanatus, 2n=2x=22)是全世界最普遍的水果之一。它起源於非洲，隸屬於葫蘆科西瓜屬，其馴化歷史已超過4000年[1]。在漫長的馴化過程中，自然選擇和人類選擇是如何導致西瓜的表型發生顯著性改變，目前還未完全清楚。

新一代西瓜基因組精細圖譜繪製

研究者利用PacBio測序平台對西瓜品種“97103”進行長讀長測序，結合Bionano光學圖譜與Hi-C染色體構象捕獲技術，完成了全新一代西瓜基因組高質量精細圖譜繪製。最終基因組組裝大小365.1 Mb，scaffold N50為21.9Mb，其中31個scaffold構成了基因組大小為362.7Mb的11條染色體，覆蓋了西瓜基因組組裝大小的99.3%，是迄今為止最高質量的西瓜基因組序列圖譜。

西瓜屬的基因組變異圖譜與系統發育

圖1 來源於西瓜屬7個種的414個樣品重測序的系統發育關係和群體結構組成。

隨後研究者對覆蓋世界上現存西瓜屬全部7個種的414份代表性種質資源進行了二代基因組重測序，每個樣本的平均測序深度為14.5x，共鑒定獲得19,725,853個SNP變異位點。通過群體結構分析，在基因組水準上證實了非洲蘇丹地區的兩個西瓜資源與高糖栽培西瓜的祖先遺傳關係最近。同時發現黏籽西瓜（C. mucosospermus）是距現代栽培西瓜（C. lanatus）親緣關係最近的種群且具有共同的祖先。基因漂移等證據表明，飼用西瓜（C. amarus）與這兩個種群之間可能存在獨立進化，首次從全基因組層面明確了西瓜屬現有7個種之間的進化關係。

西瓜屬全基因組關聯分析（GWAS）

圖2 西瓜果實品質性狀全基因組關聯性分析

接著研究者通過西瓜全基因組關聯分析，鑒定獲得了與果實含糖量、瓤色、果實形狀和種子顏色等多個與果實品質性狀相關聯的43個信號位點，其中有8個位點與已知QTL重合，進一步縮小了定位區間，為候選基因的精細定位和功能驗證提供了寶貴線索。在果實含糖量中最強的信號位點和已知QTLQBRX2-1重合，並在10號染色體上額外發現2個和果實含糖量高度相關的區域（圖2 a，b）。在瓤色中2個明顯的信號位點分別在2號染色體和4號染色體上，且4號染色體上的位點與已知QTLFC4.1重合（圖2c）。在果實形狀上有14個相關信號位點，和已知的3個QTL重合（Qfsi3、FSI3.1和FSI3.2）（圖2d）。在果皮顏色和花紋上發現了染色體4、6和8號染色體上各有1個信號，分別為Dgo、S和D（圖2e，f）。在種子顏色上發現了13個相關信號位點，其中位於3號染色體上最強的信號與已知QTLqrc-c8-1重合（圖2g）。

西瓜果實品質性狀進化和馴化

圖3 西瓜全基因組的選擇區域

最後研究者通過進化和馴化分析，系統解析了野生西瓜到栽培西瓜的基因組馴化歷史，鑒定獲得了果實大小、果肉含糖量、苦味、瓤色、質地、風味等重要品質性狀的選擇區域及候選基因，與西瓜物種自然分化階段相比，品質馴化改良階段受選擇基因數量顯著增加，總共有620個基因獨立參與了甜西瓜的改良階段。此外，作者還發現了人類利用野生西瓜種質進行抗性改良的基因組滲入痕跡，為後續栽培作物的改良打下基礎。

小結

圖4 西瓜物種與品質性狀進化分子機制模式圖

本研究採用長讀長測序+Bionano光學圖譜+Hi-C策略完成了迄今為止最高質量的西瓜基因組精細圖譜繪製，在此基礎上通過對414個現存西瓜品種利用二代基因組重測序分析，揭示了人類及動物活動在西瓜品質形成進化中的重要作用，為西瓜功能基因深入研究及優異基因資源的利用提供了重要數據支撐和理論基礎，具有重要實踐意義和科學價值。

參考文獻：

1.Paris, H. S. Origin and emergence of the sweet dessert watermelon, Citrullus lanatus. An. Bot. 116, 133–148 (2015).

2. Guo, S. G. et al.Resequencing of 414 cultivated and wild watermelon accessions identifiesselection for fruit quality traits. Nat. Genet.51,161-1623 (2019).