苦瓜T2T基因组发布！该研究揭示了‘金铃子’基因组组成和进化关系以及果实生长发育的分子调控机制

近日，北京市农林科学院农产品加工与食品营养研究所左进华研究员团队联合美国宾夕法尼亚州立大学马红教授团队完成超高质量苦瓜变种‘金铃子’T2T基因组。主要研究成果“Telomere-to-telomere genome assembly of bitter melon (Momordica charantia L. var. abbreviata Ser.) reveals fruit development, composition and ripening genetic characteristics”在线发表于园艺TOP期刊Horticulture Research。该研究揭示了‘金铃子’基因组组成和进化关系以及果实生长发育的分子调控机制，进一步细化了苦瓜亚种材料差异表型的基因组变异特征，以及果实品质的关键信息。本研究是该团队在葫芦科领域的完成的第3个高质量基因组，为葫芦科系统发育与应用研究起到了重要的推动作用。百迈客张学雯、余莹作为共同作者，参与了本项研究。

 研究背景

葫芦科苦瓜的变种‘金铃子’（Momordica charantia L. var. abbreviata Ser. (Mca)），又称为癞葡萄，主要分布在南亚、东南亚和中国。其果实个体略小于苦瓜（M. charantia L. (MC)），具有重要的食用、观赏与保健等功能。在果实成熟过程中，果皮从绿色变为黄色/橙色，果肉从苦味的白色变为甘甜的红色。其因口味和营养成分而闻名，但高质量基因组的缺乏不利于相关分子机制的研究，阻碍了进一步的应用。

Telomere-to-telomere（T2T）基因组是指通过多种测序平台、高深度测序，完成端粒与着丝粒组装的gap-free或近gap-free高质量基因组。T2T基因组的构建将进一步助力物种基因组中复杂区域的解析，尤其是早期难以被破解的“黑色领域”，可为‘金铃子’深度研究提供重要的基础信息。

材料方法

Denovo测序： survey 21.28 Gb（~74.31×）；HiFi 31 Gb（~103.96×）；Hi-C 51 Gb（~178 X）

RNA-seq：三个不同成熟期的果皮；每个材料3个生物学重复。

ATAC-seq：三个不同成熟期的果肉；每个材料3个生物学重复。

代谢组：三个成熟期的果肉和果皮; 每个材料3个生物学重复；HPLC-MS

研究结果

1、金铃子T2T基因组组装

调研图结果显示，金铃子基因组大小286.40 Mb，杂合度0.12%，较低的杂合与重复使得更高质量的基因组组装成为可能。本研究基于高深度的HiFi reads组装以及Hi-C辅助染色体挂载，最终完成296 Mb苦瓜金铃子基因组的组装（contigN50=25.3 Mb；挂载率99.87%），注释出20,068个基因。组装结果显示金铃子11条染色体中均检测到着丝粒信号，且8条染色体上均无gap存在，其中6条染色体既gapfree同时也检测到两端的端粒信号（CCCTAAA）_n。

通过二代数据回比、三代数据回比、CEGMA评估（98.69%）、BUSCO评估（98.02%）、Mercury评估（integrity= 99.6%；QV=45.2；error rate ~0.003%）等多项评估显示，本次研究构建了一个具有高完整性和准确性的的端粒至端粒的超高质量苦瓜金铃子基因组。这种高质量的无间隙基因组有助于探究该物种的基因奥秘。

2、比较基因组学与变异比较分析

研究显示，苦瓜在115.08-120.42 Mya时从其他近缘种中分化出来，0.53-52.49 Mya金铃子与苦瓜发生分化。共线性分析显示，在甜瓜、丝瓜、‘金铃子’中检测到了在驯化过程中对果实成熟和风味形成起作用的几个共线基因，主要参与植物激素信号转导、葫芦素和类胡萝卜素合成途径。

‘金铃子’的特有基因家族成员与RNA聚合酶、倍半萜和三萜生物合成、嘌呤代谢和光合作用-天线蛋白有关。金铃子中扩张基因家族与光合作用、苯丙氨酸代谢和二萜生物合成有关，而收缩基因家族与亚油酸代谢和二甾生物合成相关。

随后作者将‘金铃子’与苦瓜进行比对，以分析亚种材料间关键的变异信息。研究结果显示，两个材料间存在211,329个SNPs和100,187个InDels，并检测到374个SV，即39个TRANs、18个INV和317个DUP。这些SVs主要影响编码萜类合成酶10（TPS10）、聚半乳糖醛酸酶（PG）、黄酮醇合成酶（FLS）等基因，这些基因与植物激素、果实质地和萜烯代谢有关。PAV检测中，发现仅在‘金铃子’中存在的基因主要参与倍半萜和三萜生物合成、甘油脂代谢和甘油磷脂代谢，这些基因可能在‘金铃子’进化中发挥重要作用，并最终影响其表型特征和功能特性。

3、金铃子果实生长发育研究

染色质的开放区包含转录因子结合位点（TFBS），在转录因子（TFs）介导的基因表达调控中发挥重要作用。因此，作者通过对‘金铃子’三个时期的果实材料进行ATAC-seq分析，以确定在生长过程中差异的染色质开放区域。研究发现，未成熟果实与破色期果实中，6号染色体上存在差异染色质开放区，主要是与类胡萝卜素途径和植物激素信号传导相关的基因；破色期与成熟期果实相比，3号染色体上存在差异染色质开放区，主要的影响基因有乙烯应答转录因子WRI1、乙烯应答转录转录因子ERF118和生长素应答因子1（ARF1）等。

 为了更全面地了解‘金铃子’果实的发育成熟过程，作者对‘金铃子’果实三个不同生长发育期的转录组和代谢组进行了系统分析。在果实生长发育前期，共鉴定出515个差异基因和216个差异代谢物，在果实生长发育后期，鉴定出4593个差异基因和376个差异代谢物，这些差异基因和差异代谢物参与调控‘金铃子’果实生长发育过程中葫芦素、皂苷、植物激素、氨基酸、脂类、类胡萝卜素等的生物合成和代谢过程。这些差异决定了‘金铃子’果实的品质、营养价值以及果皮颜色的变化，为苦瓜基因组研究提供了一个新的遗传资源。

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