联盟动态

联盟副理事长张兴平团队合作在Mol Plant发表研究论文,报道了首个西瓜T2T参考基因组和EMS饱和突变体库

 时间:2022-06-27
西瓜(Citrullus lanatus)属葫芦科西瓜属,原产于非洲,是世界第三大水果作物,具有重要的经济价值。中国是世界上最大的西瓜生产与消费国,2020年种植面积为152.8万公顷,产量达6200万吨,占全球种植面积的60%以上。西瓜基础研究相对比较薄弱,2019年以来3个参考基因组的相继发布,推动了西瓜基因组学研究。然而,现有参考基因组存在的大量缺口(gap),加上西瓜育种长期定向选择所导致的狭窄遗传基础,严重制约着西瓜基因组学研究和遗传改良。
 
近日,国家现代农业与食品前沿产业技术创新战略联盟副理事长、北京大学现代农业研究院副院长、潍坊现代农业山东省实验室副主任张兴平团队和何航团队合作,在Molecular Plant杂志发表了题为“A telomere-to-telomere gap-free reference genome of watermelon and its mutation library provide important resources for gene discovery and breeding”的研究论文,报道了首个小果型西瓜自交系G42(图1)的端粒到端粒(T2T)无缺口高质量基因组图谱,并利用花粉诱变的方法构建了G42的EMS饱和突变体库,为解析西瓜基因功能和育种提供了宝贵的资源。美国农业部蔬菜实验室瓜类遗传学家Amnon Levi博士高度评价该研究成果,他说“This an amazing work and most major contribution to watermelon genomics. Having male sterility is a great accomplishment.”。
 

 
研究团队首先利用PacBio HiFi和ONT数据,结合多种组装策略,完成了T2T-G42基因组图谱,并通过BioNano和PCR-Free等数据对组装结果进行校正验证。该研究组装的G42参考基因组总长度为369,321,829 bp,11条染色体的长度为 27,658,079-38,239,948 bp。预测蛋白编码基因24,205个,解析了全部端粒和着丝粒序列信息(图1),填补了97103v2参考基因组的220个缺口。这是葫芦科作物上首次报道端粒到端粒(T2T)无缺口参考基因组。
 

图1  西瓜自交系G42果实(左)以及G42与97103v2基因组的共线性比较(右)
 
研究团队还首次成功将花粉EMS诱变技术应用到瓜类作物,极大的克服了种子诱变突变体率低和坐果困难问题。利用花粉EMS诱变技术构建了G42遗传背景的西瓜EMS突变体库,获得了20多万粒M1种子。为鉴定突变体库的表型变异情况,对6126个M1单株和507个M2家系进行了系统的表型评价,分别鉴定到223个M1和78个M2表型变异突变体,并通过遗传分析确认了48个单基因表型突变, 包括株型、叶形、雄性不育、瓜瓤颜色等突变体(图2)。通过随机选取20个 M1和 12个 M2 单株进行重测序和突变分析,发现M1单株的平均突变密度为1 SNP/1.69 Mb 和 1 indel/4.55 Mb, M2单株为1 SNP/1.08 Mb 和 1 indel/6.25 Mb(图2)。利用97103v2和T2T- G42基因组作为参考基因组预测突变率发现,T2T- G42参考基因组极大地减少了突变位点检测的假阳性率。
 

图2  突变体表型(左)以及突变位点在染色体上的分布和密度(右)
 
基于T2T- G42参考基因组和相同背景的突变体库,研究团队利用重测序数据快速鉴定了2个显性突变体(长果和雄性不育),发现其均由典型的EMS碱基突变类型G>A导致的。显性雄性不育基因(ClMS1)为首次在西瓜上报道(图3)。

图3 西瓜显性雄性不育突变体的鉴定
 
为促进西瓜功能基因组研究以及突变体库的广泛应用,研究团队建立了西瓜基因组和突变体库数据库WaGMDB(http://www.watermelondb.cn)(图4)。该数据库提供了T2T- G42基因组信息及部分生物信息分析工具、突变体库部分表型变异和基因变异信息等。该数据库将面向国内外从事西瓜研究的科研人员提供突变体信息。
 


图4 西瓜基因组和突变体库数据库WaGMDB
 
北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室邓云研究员和刘守成助理研究员,北京大学现代农学院博士生张宜林为论文共同第一作者,张兴平研究员和何航研究员为论文共同通讯作者。江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所孙玉东研究员参与了相关研究,国家现代农业与食品前沿产业技术创新战略联盟理事长、北京大学现代农业研究院邓兴旺院士、联盟成员徐云碧研究员为该研究提供了指导。研究得到山东省科技创新计划、宁夏回族自治区农业育种专项、江苏省种业振兴揭榜挂帅、宁波市重大科技任务攻关和潍坊市种业创新团队等项目的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.06.010


联盟动态
  • 助推潍坊农业新发展

    助推潍坊农业新发展

  • 智汇山亭”人才峰会 ​

    智汇山亭”人才峰会 ​

  • “联盟”专家组赴峡山区考察调研

    “联盟”专家组赴峡山区考察调研

  • 潍坊国家农业开放发展综合试验区参观考察

    潍坊国家农业开放发展综合试验区参观考察