近日，華中農業(yè)大學園藝植物生物學教育部重點實驗室柑橘團隊在國際學術期刊PNAS（美國國家科學院院刊）在線發(fā)表了題為“Pan-mitogenomics reveals the genetic basis of cytonuclear conflicts in citrus hybridization, domestication and diversification”的研究論文。該研究完成了柑橘線粒體泛基因組組裝和群體遺傳分析，解析了柑橘雄性不育的遺傳基礎和關鍵變異，回答了雄性不育性狀在柑橘分化、馴化和雜交過程中的作用。

 

　　雄性不育性狀（細胞質雄性不育，CMS）的發(fā)現(xiàn)和利用是柑橘果實無核育種的重要基礎。由于柑橘具有多年生、珠心多胚性（屬于孢子體無融合生殖）特性，雜交育種周期長、效率不高。華中農業(yè)大學柑橘團隊深耕細胞工程與遺傳改良領域30余年，研發(fā)高效育種技術并將雄性不育系和具有優(yōu)良性狀但果實有核的栽培種進行體細胞原生質體融合，進一步誘導再生植株，極大縮短了育種周期，創(chuàng)制出了系列雄性不育和果實無核的柑橘新品種，其中‘華柚2號'’華柚3號‘等細胞工程無核新品種已獲植物新品種權，作為核心種源，具有重要的產業(yè)應用價值。

 

　　來自線粒體基因組的關鍵基因和核基因組的育性恢復基因之間的互作模式是導致柑橘雄性可育/不育的重要原因。利用來自不同遺傳背景的線粒體基因組與核基因組的細胞融合，能產生雄性不育性狀；特別是來自’溫州蜜柑‘的線粒體基因組和栽培柚品種的核基因組導致花器官畸形、花粉敗育，進而產生無核果實；而來自’溫州蜜柑‘線粒體基因組與甜橙核基因組的細胞融合（核基因組為橘和柚的混合背景）不影響育性。上述現(xiàn)象表明線粒體基因組與核基因組的互作模式存在種的特異性，且在橘與柚的分化過程中存在明顯差異。

 

　　基于這一規(guī)律，該研究通過分析不同柑橘材料的線粒體基因組，構建線粒體泛基因組，通過比較分析鑒定到一系列物種特異性線粒體重組事件和物種特異性線粒體嵌合基因。進一步基于群體水平比較分析線粒體、葉綠體和核基因組的遺傳分化水平，解析了柑橘線粒體基因組的分化特征，鑒定到橘和柚存在明顯的線粒體基因組分化，與種間細胞融合導致雄性不育的表型一致。基于細胞工程創(chuàng)制的胞質雜種新材料及轉錄組測序分析，鑒定到線粒體基因組調控柑橘雄性不育的關鍵結構變異；利用全基因組關聯(lián)分析鑒定到候選的核基因組恢復基因，可能參與柑橘雄性不育系統(tǒng)的建立；研究還發(fā)現(xiàn)柑橘雜交過程中線粒體基因組并非完全母系遺傳，存在廣泛的’父系泄露‘，但葉綠體基因組在雜交過程中保持母系遺傳?？傊?，該研究揭示了柑橘分化和馴化過程中產生雄性不育的遺傳基礎，解析了雄性不育對柑橘雜交模式的影響，闡明了細胞質基因組與核基因組互作在柑橘無核育種過程中的重要作用。

 

　　王楠（鄧秀新教授課題組博士畢業(yè)生，目前是中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所博士后）、李超超（郭文武教授課題組在讀博士生）為共同第一作者；郭文武教授為通訊作者。鄧秀新院士、徐強教授、Robert Larkin教授等參與了研究工作；中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所周永鋒研究員在課題設計、實施和論文修改方面提供了重要指導，中國科學院昆明植物研究所朱安丹研究員給予了具體的數(shù)據(jù)分析建議。中國熱帶農業(yè)科學院黃三文研究員、內布拉斯加大學林肯分校Jeffrey Mower教授和科羅拉多州立大學Daniel Sloan教授提供了重要指導意見和建議。該研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點和重點國際合作、湖北洪山實驗室等項目資助。

 

　　郭文武教授課題組長期從事柑橘細胞工程與遺傳改良研究。針對我國原產特色柑橘品種種子多、品質退化和高效育種技術缺乏等問題，二倍體水平上，創(chuàng)建通過細胞工程技術實現(xiàn)果實無核的新育種途徑，縮短育種周期20年以上；多倍體水平上，構建多種細胞工程高效育種技術，創(chuàng)制出大量多倍體新種質。培育出柑橘無核優(yōu)質系列新品種和新品系，已授權和受理柑橘新品種權9個，榮獲湖北省技術發(fā)明一等獎。同時，基于柑橘細胞工程新種質，研究雄性不育、體細胞胚發(fā)生、多倍體廣適應性和表觀遺傳變異等科學問題，在PNAS、Plant Physiology、Plant Biotechnology Journal、Journal of Experimental Botany、Theor Appl Genet、園藝學報等刊物發(fā)表論文100余篇，為我國柑橘細胞工程定向精準改良提供了理論支撐。

 

　　【英文摘要】

 

　　Although interactions between the cytoplasmic and nuclear genomes occurred during diversification of many plants, the evolutionary conflicts due to cytonuclear interactions are poorly understood in crop breeding. Here, we constructed a pan-mitogenome and identified chimeric open reading frames （ORFs） generated by extensive structural variations （SVs）。 Meanwhile, short reads from 184 accessions of citrus species were combined to construct three variation maps for the nuclear, mitochondrial, and chloroplast genomes. The population genomic data showed discordant topologies between the cytoplasmic and nuclear genomes because of differences in mutation rates and levels of heteroplasmy from paternal leakage. An analysis of species-specific SVs indicated that mitochondrial heteroplasmy was common and that chloroplast heteroplasmy was undetectable. Interestingly, we found a prominent divergence in the mitogenomes and the highest genetic load in the, which may provide the basis for cytoplasmic male sterility （CMS） and thus influence the reshuffling of the cytoplasmic and nuclear genomes during hybridization. Using cytoplasmic replacement experiments, we identified a type of species-specific CMS in mandarin related to two chimeric mitochondrial genes. Our analyses indicate that cytoplasmic genomes from mandarin have rarely been maintained in hybrids and that paternal leakage produced very low levels of mitochondrial heteroplasmy in mandarin. A genome-wide association study （GWAS） provided evidence for three nuclear genes that encode pentatricopeptide repeat （PPR） proteins contributing to the cytonuclear interactions in the Citrus genus. Our study demonstrates the occurrence of evolutionary conflicts between cytoplasmic and nuclear genomes in citrus and has important implications for genetics and breeding.

 

　　論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2206076119