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蕓香科柑橘屬包含人們熟知的多種水果，如橘子、甜橙、柚子、檸檬、青檸等，這一成員眾多且紛亂的水果家族擁有悠久的栽培歷史，并且具有重要的經濟價值。隨著基因測序技術的不斷發展，柑橘屬的起源與馴化問題以及其特殊性狀形成機制也開始變得明晰。
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甜橙基因組圖譜構建完成
（Nature Genetics, 2012）
華中農業大學在2012年首次完成了甜橙（Citrus sinensis）基因組構建工作，為了降低組裝難度，研究人員采用雙單倍體測序方法成功繪制出了甜橙的87%的基因組序列，組裝基因組大小為320Mb，ContigN50為49.89Kb，ScaffoldN50為1.69Mb，編碼蛋白的基因數量為29,445個。
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圖1 組裝的基因組與遺傳圖譜比對
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重測序分析表明二倍體甜橙具有較高的雜合度（50%），同時SNPs密度偏好性發現柚和柑橘的貢獻度為1:3，并有證據表明甜橙的葉綠體很可能來源于柚。因此，研究人員推斷：母本柚（pummelos）與父本柑橘（mandarins）進行雜交，再與母本柚（pummelos）回交，從而形成甜橙。
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圖2 甜橙起源的模型
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對甜橙基因組分析，揭示甜橙基因組的進化歷史，同時發現甜橙中與維生素C合成有關的基因出現基因擴增等現象，進一步結合RNA-Seq進行聯合分析，發現GalUR基因表達上調很可能是甜橙富含維C的重要原因。
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圖3 與維C代謝相關的基因表達與進化
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橘、柚、橙基因組測序初步揭示柑橘屬復雜的馴化過程
（Nature Biotechnology, 2014）
2014年，美國科學家完成了幾種柑橘屬水果的基因組測序，其中包括四種柑橘、兩種柚和酸橙，這一研究成果發表在Nature Biotechnology雜志上，該研究構建了更高質量的柑橘屬物種基因組，較之前發表的甜橙基因組質量有顯著提高（Contig L50=119Kb,ScaffoldL50=6.8Mb）。除此之外，該研究也對柑橘屬的演化、馴化等問題進行了探討。該研究表明，栽培柚來源祖先種C. maxima，栽培寬皮桔來源C. reticulata，并有C. maxima的滲入。
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圖4 柑橘屬染色體進化關系
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柑橘屬基因組測序揭示其多胚性狀形成機制
（Nature,2017）
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繼甜橙基因組公布以后，華中農業大學同一研究團隊再一次完成了四個柑橘代表種的基因組構建工作，并通過聯合比較基因組、重測序以及轉錄組等等方法解析了柑橘“多胚”形成的分子基礎，鎖定了關鍵基因CitRWP。
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研究人員利用單分子測序技術（PacBio）構建了迄今為止最為完整的柑橘基因組，其中Contig N50為2.2 Mb，是已經報道的柑橘基因組的18倍以上。
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圖5 柑橘屬系統進化關系及性狀表現
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進一步對100份代表性原始、野生和栽培柑橘進行深度測序及群體比較，分析表明原始柑橘的遺傳多樣性最高，栽培柑橘中的生殖和能量代謝相關的基因受到了選擇。
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圖6 柑橘遺傳多樣性和群體差異分析
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本研究利用柑橘基因組平臺優勢結合前期構建的遺傳群體，針對性設計了極端表型混池測序和局部基因關聯分析的策略，將柑橘多胚位點定位到一段80Kb的區域，包含11個候選基因。進一步精細剖析發現候選基因CitRWP與多胚性狀的關聯程度最高，并表現出胚珠特異表達的特點，且在多胚的表達顯著高于單胚。
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圖7 柑橘多胎化基因定位
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柑橘屬泛基因組測序揭示其起源與進化機制
（Nature,2018）
該研究分析了已發表的柑橘屬基因組和30種新測序的基因組（共60種材料的基因組），通過基因組學分析、系統發育分析以及生物地理學分析，揭示了柑橘屬植物的起源、進化以及馴化歷史。
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圖8 柑橘屬遺傳結構、雜合分布及系統進化分析
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基于59萬個AIM（Ancestry Informative Marker or SNP），找到46份柑橘材料的片段祖先來源。在28個柑橘基因組中，23個發現有柚子基因組的貢獻，進一步分析后，研究人員繪制了主要柑橘屬成員的的遺傳家譜。
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圖9 主要柑橘屬成員家譜圖
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該研究表明柚果實大小與柚基因混入比例之間呈強正相關（r=0.88）。果實風味（酸度）GWAS關聯到8號染色體0.3-2.2Mb區間，在這個區域，甜柑橘在該區域有柚混入，而酸柑橘沒有，最后從該區域的基因中篩選到一個調節檸檬酸合成的IDH基因。
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圖10 GWAS分析柚果實大小及酸度相關基因定位
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柑橘基因組的研究趨勢與水稻和大豆基本類似，都經歷了以下過程：
1.從單個基因組構建研究深入到泛基因組水平，從而能夠更全面地獲得該物種的所有基因資源和變異信息（小廣告：如果利用10X Genomics技術，能夠以超低的成本得到高質量的基因組，可謂泛基因組的構建的利器）；
2.利用重測序BSA、遺傳圖譜、GWAS技術對所要研究的性狀進行基因組定位，從而將基因與性狀進行關聯，如柑橘的研究中，利用BSA技術定位了柑橘多胚性狀相關基因，利用GWAS定位了果實風味相關基因；
3.利用重測序群體進化分析，對物種在人工馴化或自然選擇的過程中發生的性狀上的定向改變和亞種形成進行過程研究，從而在基因層面解析物種的起源和進化問題；
4.利用轉錄組測序，從轉錄調控層面和表達水平來輔助生物學問題的解決。
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動植物基因組專題 | 水稻：我們不一樣，每個品種都有不同的境遇
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參考文獻
XuQ, Chen L L, Ruan X, et al. The draft genome of sweet orange (Citrus sinensis)[J]. Nature Genetics,2013, 45(1):59-66.
WuG A, Prochnik S, Jenkins J, et al. Sequencing of diverse mandarin, pummelo and orange genomes reveals complex history of admixture during citrus domestication[J]. Nature Biotechnology, 2014, 32(7):656-62.
WangX, Xu Y, Zhang S, et al. Genomic analyses of primitive, wild and cultivated citrus provide insights into asexual reproduction[J]. Nature Genetics, 2017,49(5):765-772.
WuG A, Terol J, Ibanez V, et al. Genomics of the origin and evolution of Citrus[J]. Nature, 2018.
博奧晶典科研服務事業部 李超、李媛媛 | 文案
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