近日,，基因組所周永峰課題組聯(lián)合美國(guó),、法國(guó)、意大利,、德國(guó)和智利等國(guó)葡萄學(xué)研究團(tuán)隊(duì),，繪制了首個(gè)葡萄端粒到端粒（T2T）完整參考基因組圖譜（PN_T2T）,，深入解析葡萄著絲粒區(qū)域的結(jié)構(gòu)和基因簇捕獲，發(fā)現(xiàn)了九代自交材料PN40024中頑固高雜合區(qū)域的重要生物學(xué)功能,。該研究成果以封面文章發(fā)表在《園藝研究（Horticulture Research）》上,，以致敬沃森和克里克提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型七十周年。

該研究基于高度純合（九代自交）的葡萄（PN40024）進(jìn)行三代基因組測(cè)序,，組裝了一個(gè)端粒到端粒的完整參考基因組（PN_T2T）,。2007年，首個(gè)葡萄基因組PN40024發(fā)表,，為葡萄遺傳育種和種質(zhì)資源改良提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持,，然而，該參考基因組包含了近萬(wàn)個(gè)缺口,，著絲粒,、端粒和重復(fù)區(qū)域缺失,，限制了重復(fù)序列、著絲粒和端粒區(qū)域的可及性,，以及這些區(qū)域重要農(nóng)藝性狀的遺傳學(xué)研究,。16年后，葡萄首個(gè)T2T參考基因的發(fā)表,，最終彌補(bǔ)了這一缺陷,，是葡萄生物學(xué)與育種研究的又一里程碑事件。

PN40024是高度純合的自交系葡萄,，該研究對(duì)其進(jìn)行了三代測(cè)序,，用Hifiasm進(jìn)行初步組裝，參考已發(fā)表的葡萄基因組（12X.v0）,，借助Mummer對(duì)38條Contig進(jìn)行校正和搭建,，獲得了僅有1個(gè)gap的染色體水平葡萄基因組，經(jīng)過(guò)填補(bǔ)gap后獲得了大小為494.78 Mb,，contig N50高達(dá)25.93 Mb的無(wú)間隙基因組（PN_T2T）,，填補(bǔ)了12X.v0的9429個(gè)缺口，BUSCO評(píng)估基因組完整性為98.5%,。通過(guò)注釋?zhuān)搏@得了37534個(gè)基因和41064個(gè)轉(zhuǎn)錄本,，比12X.v0多9018個(gè)基因；基因組的重復(fù)序列注釋為66.47%,，TE占比為63.9%,。

圖1 | 葡萄參考基因組的T2T無(wú)間隙組裝

研究人員檢查了每條染色體兩端的150 kb序列，端粒重復(fù)單元的長(zhǎng)度范圍設(shè)置為5至12 bp,。最后,，檢測(cè)到PN_T2T基因組中的36個(gè)端粒（TTTAGGG/CCCTAAA）。為了檢測(cè)著絲粒區(qū)域,，該研究對(duì)30至500 bp的候選重復(fù)序列進(jìn)行搜索,，使用TRF在PN_T2T基因組中發(fā)現(xiàn)了470個(gè)不同的重復(fù)單位，其中107個(gè)bp重復(fù)是全基因組中最豐富的重復(fù)單元,，其次是321 bp,，214 bp和135 bp重復(fù)單元。完整的著絲粒組裝,，為研究著絲粒區(qū)域的基因提供了可能,。作者在著絲粒區(qū)域共鑒定到343個(gè)基因，其中包括179個(gè)具有Uniprot ID的基因,。通過(guò)GO功能注釋,、富集分析，發(fā)現(xiàn)多個(gè)基因富集到與蛋白質(zhì)結(jié)合、生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,、生殖發(fā)育,、光形態(tài)發(fā)生等通路,。

圖2 | 基因組中著絲粒的結(jié)構(gòu)及其著絲粒捕獲基因

基于葡萄T2T基因組,，作者總共鑒定到377個(gè)基因簇，這通常涉及局部重排,，他們發(fā)現(xiàn)部分基因簇長(zhǎng)達(dá)數(shù)Mb,，包含了數(shù)十到數(shù)百個(gè)基因。在16號(hào)染色體（23-27 Mb）上,，有599個(gè)基因富集的結(jié)構(gòu)域,。在18號(hào)染色體（25~36 Mb）上，有1237個(gè)基因富集結(jié)構(gòu)域,。其中,，許多強(qiáng)富集的結(jié)構(gòu)域是植物抗病基因（R基因）結(jié)構(gòu)域的一部分，這些R基因和基因簇為探索植物防御機(jī)制提供了重要線(xiàn)索,。

此外,，雖然經(jīng)過(guò)9代自交的PN40024，有著99.8%的純和度,，但作者在染色體上仍發(fā)現(xiàn)9個(gè)高度雜合的區(qū)域,。結(jié)果表明雜合區(qū)域的基因顯著富集在對(duì)水分缺乏的反應(yīng)、植物蛋白磷酸化,、細(xì)胞分裂,、對(duì)氧化應(yīng)激的反應(yīng)和對(duì)鹽應(yīng)激的反應(yīng)通路中，這與植物的關(guān)鍵生理活性密切相關(guān),。

圖3 | 九代自交葡萄材料中的雜合基因組區(qū)段及其生物學(xué)功能

本研究聯(lián)合了中國(guó),、美國(guó)、法國(guó),、意大利,、德國(guó)和智利等國(guó)葡萄學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，在葡萄基因組發(fā)表16年后,，首次繪制了葡萄完整基因組圖譜,，對(duì)葡萄學(xué)界具有重要意義。首次深入分析了葡萄著絲粒區(qū)域的結(jié)構(gòu)及其捕獲基因功能,。更有趣的是,，發(fā)現(xiàn)了九代自交材料中頑固的雜合區(qū)域及其重要生物功能。完整的PN_T2T參考基因組為未來(lái)葡萄育種和遺傳改良提供有力的數(shù)據(jù)支持,，可用于找回葡萄多個(gè)重要農(nóng)藝性狀的丟失的遺傳力,，同時(shí)為未來(lái)葡萄遺傳學(xué)與育種研究開(kāi)辟了豐富的可能性。

碩士生史小丫、曹碩,，博士生王旭為論文的共同第一作者,。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所周永鋒研究員和肖華博士、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)程宗明教授和法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)Camille Rustenholz博士為論文的共同通訊作者,。來(lái)自西北農(nóng)林科技大學(xué)房玉林教授,、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹(shù)研究所劉崇懷研究員、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所王海波研究員,、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院伍新宇研究員和鐘海霞副研究員,、中科院植物所王毅博士、法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)Komlan Avia博士和Amandine Velt博士,、德國(guó)比勒菲爾德大學(xué)Daniela Holtgr?we博士,、西班牙阿拉貢農(nóng)業(yè)研究與技術(shù)中心Jér?me Grimplet博士、西班牙瓦倫西亞大學(xué)José Tomás Matus博士,、美國(guó)紐約冷泉港實(shí)驗(yàn)室Doreen Ware教授等國(guó)際合作者參與了該研究,。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)家基金（海外）、農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新計(jì)劃,、深圳科技計(jì)劃,，歐盟地平線(xiàn)項(xiàng)目以及德國(guó)聯(lián)邦教育及研究部（BMBF）等資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/hr/uhad061