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重磅!华农柑橘团队基因组解码“多胚”机理获新进展
来源:华中农业大学   发布者:左丽媛   日期:2017-04-12  

在4月11日,《自然•遗传学》(Nature Genetics)刊物在线发表了华农邓秀新院士领衔的柑橘团队在无性生殖领域取得的研究进展(Genomic analyses of primitive, wild and cultivated citrus provide insights into asexual reproduction)。这项工作以柑橘原始种、野生种和栽培种的基因组为基础,采用比较基因组、遗传学和转录组等方法解析了柑橘“多胚”形成的分子基础,锁定了关键基因CitRWP。


徐强教授

徐强教授为该论文通讯作者,我校博士生王霞、徐远涛、张斯淇及西南大学曹立副研究员为论文并列第一作者。我校信息学院马彬广、陈玲玲,生命科学技术学院陈春丽等多位老师及研究小组参与完成了该项目。该研究受到国家自然科学基金,中央高校基本科研业务费专项基金和973计划等项目的资助。

该研究完成了四个柑橘代表种的基因组,利用单分子测序技术(PacBio)构建了迄今为止最为完整的柑橘基因组,其中Contig N50为2.2 Mb,是已经报道的柑橘基因组的18倍以上。基因组比较分析发现柑橘品种特有的基因组区段大部分为重复序列及未知功能的基因,大约有1/5的基因已知功能并富集在抗性、蛋白水解及果胶裂解等生物学途径。本研究进一步对本室搜集的100份代表原始、野生和栽培柑橘进行深度测序并群体比较,分析表明原始柑橘的遗传多样性最高,栽培柑橘中的生殖和能量代谢相关的基因受到了选择。

种子由多到少、由大到小,以及生殖模式由单胚到多胚的转换是柑橘“原始-野生-栽培”过程中最明显的演化规律之一。绝大多数植物的胚由受精卵发育而来,而柑橘珠心组织的体细胞也可发育成胚,叫做珠心胚。大多数柑橘品种一粒种子可产生2-10个珠心胚,进而萌发成多棵珠心苗,称之为多胚性。柑橘的多胚性是自然界中最稳定的无融合生殖类型之一,具有独特的研究与育种价值。本研究利用柑橘基因组平台优势结合前期构建的遗传群体,针对性设计了极端表型混池测序和局部基因关联分析的策略,将柑橘多胚位点定位到一段80-Kb的区域,包含11个候选基因。进一步精细剖析发现候选基因CitRWP与多胚性状的关联程度最高,并表现出胚珠特异表达的特点,且在多胚的表达显著高于单胚。在多胚柑橘品种中,该基因启动子区域有MITE(Miniature Inverted-repeat Transposable Element)转座子插入,并在786份自然变异资源中与多胚性状完全共分离。

柑橘多胚基因的发掘和利用对于固定优良基因型、排除珠心胚的干扰、提高育种效率具有重要意义。在柑橘苗木繁育中常利用多胚性来生产整齐一致的砧木或品种,在柑橘驯化和栽培过程中多胚性也常被人们利用保存优良基因型。本研究为进一步精确利用“多胚性”分子设计辅助柑橘育种提供基因资源,同时对于大田作物引入无融合生殖性状固定杂种优势也具有借鉴价值。

该篇论文也是我校柑橘团队基因组研究的又一成果。2013年,该团队在《自然•遗传学》(Xu et al, 2013, Nature Genetis, 45:59-66)发表了柑橘(芸香科)第一例基因组,并解析了甜橙果实富含维生素C的分子基础。经过4年的努力,柑橘团队自主完成了5例基因组,从上游到下游建立起一套适合于多年生果树作物开展正向遗传学研究的方法,并在果实品质和无性生殖研究取得新进展。

揭秘这篇论文发表的四大原因

1外因之一:华农柑橘研究的国际优势几代接力传承,“向上”的柑橘梦

徐强指导研究生进行实验分析

从我国柑橘学科奠基人、华中农学院前副院长章文才先生在我校播撒下柑橘的种子,再到我校校长邓秀新院士接过章老的大旗,一代又一代的柑橘人在祖国的各方土地上的共同努力,将我校柑橘学科打造成为国际一流的学科,是国际上活跃的柑橘研究中心之一。

2012年, 31岁的徐强具体主持了甜橙全基因组序列图谱。该图谱成为当时国际上最完整的甜橙基因组,同时也是我国自主完成的首个果树作物基因组,并入选由两院院士评选的“2012年中国十大科技进展新闻”提名。之后学科带头人邓秀新教授鼓励徐博士抓住机遇,利用新兴的组学手段和柑橘特色的生物学问题结合起来。经历过4年的磨练之后,徐强带领研究生一鼓作气,完成了柑橘原始种、野生种和栽培种等四个代表性物种的基因组,目前全世界一共发表了六个柑橘基因组,我校柑橘团队贡献了五个,包括国际上柑橘(芸香科)第一例基因组,以及迄今为止最完整的柑橘基因组。利用柑橘基因组的平台,开发了一系列适合于多年生果树克隆基因的方法,并克隆了控制柑橘无融合生殖的关键基因,为进一步解决柑橘杂交育种受珠心胚干扰的问题迈出了坚实的一步。

2外因之二:华农良好的协同创新的科研氛围

“学校的科研氛围特别好,我们经常邀请生科院、信息学院、植科院的专家来我们这儿交流。”徐强每每谈及科研成果时都会这么说。2012年对外公布的甜橙全基因组序列图谱,就是由园艺学、基因组学、生物信息学等学科的20余名科研人员,经过一年多的努力绘制而成。本研究也是由园林学院、信息学院、生科院以及西南大学柑橘研究所的老师和学生鼎力合作完成。

徐强团队的科研成果并不是一蹴而就的。很多灵感和创新点是在自我苦苦思考的同时,与其他领域专家的交流碰撞的一瞬间得来的,这种豁然开朗、柳暗花明的感觉也是科研乐趣之一。徐强每两周会开一次科研交流进展会,与会人员除了自己团队的成员外,常常会有其他学科其他院系的专家参与。团队成员王霞把讨论会称为是一次“专家会诊”。

3内因之一:包容个性的“严谨、快乐、自信、执着”


徐强在试验田指导学生

徐强用“严谨、快乐、自信、执着”这八个字来概括自己的科研理念。徐强对待科研有自己严谨的态度。“我们要快乐地做科研。”徐强就是带着这样的科研态度,并将理念传递给团队的每一个人,在柑橘的研究领域投入十足的热情与耐心。

作为这次Nature Genetics发表文章的第一作者王霞,她坦言一开始没有意识到课题会如此艰难,是在徐强老师的鼓励下,在不断完善基因组的基础上,结合了重要的生物学问题,并和徐远涛、张斯淇等人在愉快的氛围下合作完成。

4内因之二:团队为主的“多样性”和“专一性”

徐强团队

团队,永远是科研至关重要的发展动力。一个优秀的科研成果背后,一定有一个由一群优秀且团结的“奋斗人”组成的团队。徐强团队共有18名成员,1名研究助理,6名在读博士生,2名留学生博士,9名硕士研究生。徐强始终强调人是研究最重要的元素,选取乐观的、踏实的、乐于合作的伙伴对于建立有战斗力的队伍是至关重要。曾经有一个博士后申请通过了各种考核,但在最后一关由于以上的原因并没有进入团队;而坚持聘请了精干、对柑橘充满热情的小青年为团队的科研助理。在研究团队构建中他注重多样性。实验室管理遵循"红绿灯"规则,明确绝对禁止的"红灯",保持学术的严谨性;同时倡导学生们不拘一格,不能仅限于学习别人的研究思路,要根据自己的课题和实验结果不断琢磨并调整方案,善于听取不同人的观点并学会辩思;同时还要脚踏实地,专一的琢磨一个问题,咬定青山不放松是推进课题前进的动力。

愿景:我的梦想是让全世界都吃上我们的柑橘品种

“做出来的东西一定要有用。”这句邓秀新说过的话在徐强心里留下了深深的烙印。如果说现在一线工作的60后是‘果一代’, 70后是‘果二代’,而我们80后就是‘果三代’,我们是站在前面研究者的肩膀上成长的,”徐强笑着说,“‘果三代’正在路上,还有很长的路要走,一定要有人把咱们中国的柑橘的科研和产业做起来。中国柑橘产量和栽培面积居世界第一位,柑橘研究和新品种培育应当与这个地位匹配。我的梦想是让全世界都吃上咱们中国自主培育的柑橘品种!”这就是徐强甜蜜的梦想!

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