《Horticulture Research》封面文章：红色胡萝卜中番茄红素积累的遗传机制

近日，国际知名期刊《Horticulture Research》在线发表了北京市农林科学院梁毅研究员团队的突破性研究成果（论文题目：Analysis of telomere-to telomere genome of red carrot TXH4 elucidates the role of DcLCYE and DcLCYB1 in lycopene accumulation in carrot）。

该研究通过PacBio HiFi、ONT超长读长和Hi-C测序技术，首次完成了红色胡萝卜高代自交系TXH4的端粒到端粒（T2T）无间隙基因组组装，并系统阐明了关键基因调控番茄红素特异性富集的分子机制，为胡萝卜品质育种提供了重要理论依据与技术支撑。百迈客生物为该研究提供了三代测序及相关分析服务。

研究背景

胡萝卜（伞形科Daucus carota）作为全球重要的根茎类蔬菜，富含多种类胡萝卜素。非紫色胡萝卜根色的差异主要源于类胡萝卜素组成和含量的不同，例如橙色胡萝卜中富含α-胡萝卜素和β-胡萝卜素，黄色胡萝卜则以叶黄素为主。

红色胡萝卜因富集番茄红素而呈现独特的红色，在18世纪传入中国后长期占据东亚市场的重要地位。其中，“透心红”TXH4是我国西北地区广泛栽培的地方品种，因其优异的耐贮性、抗逆性及高番茄红素含量等特质，在生产中备受青睐。番茄红素作为一种高价值天然抗氧化剂，其在TXH4中的特异性高效积累机制，长期以来未被系统解析。

随着基因组学技术的发展，构建高质量参考基因组成为解析这一问题的关键。然而，此前仅有两个橙胡萝卜品种（黑田型（Kurodagosun）、南特型（Nantes））完成T2T基因组组装，红胡萝卜的基因组资源仍属空白。

材料及方法

为解析上述科学问题，研究团队选取红色胡萝卜高代自交系TXH4为材料，采用了前沿的多平台测序技术进行无间隙的端粒到端粒（T2T）基因组组装。

具体技术路径包括：利用PacBio HiFi测序保证序列准确性，结合Hi-C技术进行染色体水平辅助组装，并借助ONT的超长读长数据攻克复杂基因组区域的组装难题。这种整合策略最终获得了高质量的TXH4完整参考基因组。在此基础上，研究通过比较基因组学（与已发表的橙色胡萝卜T2T基因组对比）、KEGG 通路分析、代谢组学与转录组学联合分析，并结合转基因功能验证实验，系统探究了番茄红素积累的遗传基础。

研究结果

TXH4高质量基因组特征及变异解析

该研究成功组装了TXH4的T2T无间隙基因组。与两个橙色胡萝卜参考基因组（黑田型、南特型）比较，分别鉴定出2,466,422和2,037,986个SNP，以及500,579和474,704个InDel。更重要的是，KEGG通路分析发现，类胡萝卜素生物合成通路中的基因富集了大量TXH4的特异性变异，初步揭示了红色类胡萝卜素的积累模式与南特、黑田五寸等橙色胡萝卜存在显著差异。

代谢组与转录组的协特征

代谢组分析证实，TXH4肉质根中番茄红素的含量极高，是叶片含量的1965倍，而下游产物α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的含量极低（仅为叶片的2.7%和3.5%）。这一“上游淤积、下游匮乏”的代谢模式，在转录组层面找到了直接原因：催化番茄红素向下游转化的两个关键酶基因——DcLCYB1（番茄红素β-环化酶基因）与DcLCYE（番茄红素ε-环化酶基因），在TXH4肉质根中的表达量较叶片显著下调，其表达抑制与番茄红素的高积累形成直接关联。

关键基因的功能验析

功能实验为上述关联提供了因果证据。在TXH4中过表达DcLCYB1和DcLCYE，导致根中番茄红素含量下降；相反，在橙色胡萝卜（黑田型）中敲除这两个基因，则成功诱导了番茄红素的大量积累。这直接证明，DcLCYB1和DcLCYE的低表达是TXH4番茄红素特异性高水平积累的核心机制。它们的表达抑制，阻断了番茄红素向α/β-胡萝卜素的转化通路，从而使其在根中大量富集。

研究总结

该研究通过完成红色胡萝卜地方品种TXH4的高质量T2T基因组组装，为胡萝卜功能基因组学研究提供了宝贵的资源。研究不仅从基因组变异、代谢组和转录组多个层面系统解析了红色胡萝卜的特征，更重要的是，通过严谨的功能实验，明确了DcLCYB1和DcLCYE这两个关键基因的低表达是驱动番茄红素积累的根本原因。该研究不仅为揭示红色胡萝卜中番茄红素积累的遗传机制提供了重要见解，同时也拓展了胡萝卜育种的基因组资源，为作物品质改良奠定了遗传基础。