项目文章 |《Nature Genetics》番木瓜基因组研究

2022年5月12日，海峡联合研究院基因组与生物技术研究中心研究团队在国际权威学术期刊《自然遗传学》（Nature Genetics）在线发表了题为“ SunUp and Sunset genomes revealed impact of particle bombardment mediatedtransformation and domestication history in papaya”的研究成果。希望组提供Bac-long超长测序服务。

背景介绍

番木瓜是一种优质热带水果，在我国有“岭南佳果”之美誉，拥有“乔木葱葱滋地气，圆实累累衬红霞”的赞叹。番木瓜不仅汁多味甜，而且具有很高的营养和药用价值，在中国的早期典籍《食物本草》中就有记载。

番木瓜科由6个属共40个种组成，番木瓜属于番木瓜科番木瓜属，主要分布于热带和亚热带地区，野生番木瓜仅在墨西哥南部和中美洲发现。番木瓜于17世纪传入我国，最早在1661年的《九江乡志》书中有记载，称之为“万寿果”，说明我国栽培番木瓜至少有300多年历史了。

1992年，由于番木瓜环斑病毒（PRSV）的大流行，番木瓜产业面临崩溃的威胁。转基因番木瓜品种的诞生使番木瓜产业免遭PRSV的毁灭，这是番木瓜生产上的第一次革命性突破，是转基因作物拯救整个产业的一个典型的成功案例。目前番木瓜是我国批准商业化种植的唯一转基因水果作物。

部分研究细节

然而在获得转基因植物的过程中，外源DNA片段是如何整合到核基因组上的？整合过程中植物基因组发生了哪些结构变异？这些结构变异对基因功能造成了哪些影响？

通过全基因组共线性分析，研究者在SunUp品种的5号染色体上发现两个大的结构变异，一个1.6 Mb插入和591.9 Kb的缺失（图1）。研究发现，三个转基因片段均位于该1.6 Mb的插入片段上，并且三个转基因插入片段的6个侧翼序列中有5个侧翼序列来源于核质体基因组片段（NUPTs），它们在转基因过程中经历了结构变异，只有一个序列来源于核线粒体基因组片段（NUMTs）并且未发生结构变异（图1）。对1.6 Mb和591.9 Kb这两个大的结构变异上的基因进行分析，研究者意外的发现几乎所有基因都是叶绿体和线粒体基因组编码基因。通过 SunUp和Sunset品种不同发育阶段的叶和花组织的表达谱分析发现：两个结构变异上的差异表达基因中只有9个基因是单拷贝基因，表明基因枪轰击介导的转基因可引起显著的基因组结构变异，但是对基因功能造成的影响非常小，这为植物基因枪轰击介导的转基因过程对基因组结构和功能的影响提供了直接的证据。

图1. SunUp 基因组中转基因插入的整合位点（a）SunUp和Sunset 5号染色体的共线性比对；（b）SunUp 1.6 Mb的片段插入在Sunset 5号染色体上；（c）三个转基因片段在质粒上的位置与在1.6 插入片段上的位置对比；（d）三个转基因片段的6个侧翼片段在SunUp和Sunset中的比对。

SunUp和Sunset基因组的比较分析进一步发现1.6 Mb插入片段是由77个重排和异位的片段组成，包括3个转基因片段、61个来自Sunset核基因组的片段和13个来自叶绿体和线粒体细胞器基因组的片段。其中 61个核基因组片段包括1个核基因组、18个NUMTs和42个NUPTs片段（图2）。这个结果说明转基因插入位点偏向于插入叶绿体富集区域，具有“偏好性”。通过以上发现，研究人员推测了基因枪介导的外源基因整合到基因组的可能机制：外源 DNA片段整合到富含NUPTs的区域，伴随着基因组中已有的NUPTs、NUMTs和核基因组序列发生多聚化、异位以及重排。由于基因枪穿透细胞引发的损伤反应促使叶绿体和线粒体细胞器片段整合到转基因插入片段所在的多聚化区域，这种机制可能是植物自身应对外界伤害的一种精密的自我保护的调控机制（图3）。

图2. SunUp 5号染色体上的 1.6Mb 插入片段来源分布图

图3. 外源 DNA 整合到核基因组中的模式图

总结

该研究破译了番木瓜转基因品种SunUp与非转基因品种Sunset高质量的基因组图谱，首次揭示了植物基因枪介导的转基因过程对基因组结构和功能的影响，以及番木瓜地理起源和驯化历史。该成果是在植物转基因过程解析方面取得的原创性突破，对深入解密植物转基因过程具有重要参考价值，对推动果树作物的基础研究以及品种改良等具有里程碑式的意义。

更多细节：我中心《Nature Genetics》在线发表番木瓜基因组研究成果
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41588-022-01068-1
研究简报链接：https://www.nature.com/articles/s41588-022-01030-1