光皮木瓜(Pseudocydonia sinensis)為薔薇科蘋果族植物，富含多種生物活性物質，在抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗病毒及調節血糖等方面展現出廣泛的藥理作用，具有重要的經濟與醫學價值。近日，西北農林科技大學園藝學院趙濤/馬鋒旺教授課題組聯合風景園林學院李厚華教授課題組在Plant Biotechnology Journal雜志在線發表了題為“A near-gapless genome assembly of Pseudocydonia sinensis uncovers unique phenylpropanoid pathways”的文章。該研究通過對光皮木瓜高質量的單倍型基因組的組裝與比較基因組學分析，揭示了其在全基因組復制事件后的核型進化軌跡及與次級代謝物合成相關基因家族的擴展。代謝組與轉錄組的整合分析進一步揭示，MYB轉錄因子ODORANT1（PsMYBODO1）是苯丙素代謝的關鍵調控因子，可直接結合并激活包括PsRT3、PsPAL、PsCAD、PsCOMT在內的多個核心代謝基因的啟動子。該研究報道的光皮木瓜的首個高質量基因組組裝為解析其藥用價值和開展分子育種奠定了重要基礎。

1.基因組組裝測序

研究人員通過高保真長讀長測序（PacBio HiFi）結合高通量染色質構象捕獲技術（Hi-C），成功構建了光皮木瓜的高質量單倍型水平基因組。最終組裝獲得兩個單倍型共34條染色體，其中A單倍型為581.56?Mb，B單倍型為557.01?Mb。BUSCO、LTR Assembly Index（LAI）和Merqury組裝質量評估結果顯示，該基因組具有較高的完整性和準確性。基于端粒特征序列檢測，在34條染色體的兩端共檢測到55個端粒，其中22條染色體的兩端均檢測到端粒，另有11條染色體在一端具有端粒信號（圖1）。通過從同預測與同源比對相結合的方法，光皮木瓜基因組共注釋出78,781個蛋白編碼基因，其中A單倍型為39,227個，B單倍型為39,103個，基因注釋BUSCO完整度均在99.0%以上。LTR類反轉錄轉座子中的Gypsy元件在著絲粒區域富集，而Copia元件在染色體上的分布則無明顯富集趨勢。這些結果共同證明光皮木瓜參考基因組具有較高的完整性、準確性與連續性，為后續的功能基因挖掘與遺傳研究奠定了堅實基礎。

圖1 光皮木瓜的基因組特征和基因組結構變異

2.光皮木瓜的系統發育位置與基因家族擴張分析

為了闡明光皮木瓜的進化軌跡，研究人員從12個薔薇科基因組中鑒定出519個保守單拷貝共線性簇（CSSC）基因，通過基于溯祖（coalescent-based）和基于串聯（concatenation-based）的系統發育分析方法，證實了光皮木瓜為蘋果與梨的姐妹譜系，起源于大約2778萬年前（圖2）。基因家族分析共鑒定出1608個擴張的基因家族，功能富集分析表明，這些擴張家族顯著富集于多個初級代謝過程以及多個次級代謝過程，如木質素代謝過程和類黃酮代謝過程。

圖2 薔薇科物種的系統發育分析與分化時間標定

3.蘋果族全基因組復制事件推斷和祖先核型重建

Ks和共線性分析表明，薔薇科物種共同經歷了真雙子葉植物共享的γ三倍化事件，蘋果族物種共享了一次額外的全基因組復制事件。此外，研究人員構建了祖先薔薇科核型（ARK）,并進一步揭示了蘋果族物種經歷的關鍵染色體重排事件（圖3）。

圖3 光皮木瓜等薔薇科物種的全基因組復制分析和祖先核型重建

4.果實發育過程中代謝組和轉錄組的綜合分析

光皮木瓜果實富含多種次級代謝產物，賦予其顯著的抗氧化活性和藥用價值。通過廣泛靶向代謝組學分析，研究人員在其四個發育階段共鑒定出1179種代謝物，其中黃酮類占比最高（46.35%），且在成熟階段（S4）顯著積累（圖4）。等位基因特異性表達（ASE）分析揭示了B單倍型在調控苯丙烷途徑中的主導作用。基于加權基因共表達網絡分析（WGCNA）中的黃色模塊，研究人員構建了一個包含21個結構基因和117個TF的共表達網絡，并揭示了PsMYBODO1可能在調控木質素和蘆丁合成中起核心作用（圖5）。

圖4 光皮木瓜轉錄組和代謝組整合分析

圖5 光皮木瓜苯丙烷代謝分子調控網絡

5. PsMYBODO1：光皮木瓜果實中類黃酮和木質素生物合成的轉錄激活因子

研究者對PsMYBODO1的功能開展了深入研究，發現該基因在果實中的表達水平顯著高于花和葉組織，并與苯丙烷通路中PsPAL和PsCAD等結構基因的表達高度相關；亞細胞定位和瞬時過表達實驗證實PsMYBODO1定位于細胞膜和細胞核，其過表達可顯著提升蘆丁和木質素含量，并上調PsRT3、PsPAL、PsCAD、PsC4H1和PsCOMT等通路基因的表達；酵母單雜交實驗證實PsMYBODO1可直接結合PsPAL、PsCAD、PsRT3和PsCOMT等基因啟動子，尤其對PsPAL和PsCOMT調控能力較強，揭示了PsMYBODO1在協調果實類黃酮和木質素合成中的核心調控作用（圖6）。

圖6 PsMYBODO1 轉錄因子特性

西北農林科技大學園藝學院在讀碩士生張陽鑫，風景園林藝術學院已畢業博士生、現西安文理學院美術與設計學院張雙羽，園藝學院已畢業碩士生郭文夢、張宇欣為論文共同第一作者，西北農林科技大學趙濤教授、馬鋒旺教授和李厚華教授為該論文的共同通訊作者，河南大學生命科學學院禹坷教授、我院孫亞強副教授也對該項研究做出重要貢獻。研究工作得到了中央高校基本科研業務費（2452021133）和西北農林科技大學高性能計算平臺的支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70167