近日，西北农林科技大学作物逆境与高效生产全国重点实验室西北旱区果树发育生物学团队联合国内外多家单位，在Nature Communications在线发表了题为 Genome sequencing of ‘Fuji’ apple clonal varieties reveals genetic mechanism of the spur-type morphology 的研究论文。该研究成功组装了可区分亲本遗传基因的富士苹果T2T级别基因组，开发了一套基于二倍体基因组的体细胞变异检测流程，并构建了涵盖74个富士芽变品种的高精度体细胞变异图谱。基于此，研究团队深入解析了富士短枝型芽变性状的遗传机制，解决了因苹果基因组高杂合度而导致长期无法追踪芽变过程关键突变的难题，此研究成果为苹果芽变品种选育和短枝型性状的遗传改良奠定了重要理论基础。
苹果、柑橘和梨等多年生果树品种在完成选育之后，通常会通过嫁接等方式进行无性繁殖，在此过程中体细胞变异的产生会出现一系列优势性状，这些变异为多年生果树的芽变育种奠定了基础。在苹果育种中，超过30%的品种是通过芽变选种培育而来。其中‘富士’苹果是1939 年由‘元帅’和‘国光’品种杂交产生，经过80多年无性繁殖和栽培过程中积累了大量的体细胞变异，已经选育了超过100个不同类型的芽变品种。‘富士’苹果芽变品种如今已成为我国的主栽品种，占比超过70%，同时分别贡献了我国75%以上和全球35%以上的苹果产量。这些芽变品种展现出多样的优良性状，比如短枝型、着色和成熟期等变异类型，其中短枝型芽变品种因其树体矮化、枝条紧凑、早果丰产等优势而备受欢迎，然而，目前对苹果芽变的基因组基础和短枝型芽变的致因变异认识仍然非常有限。
高质量参考基因组是获取准确遗传变异的基础，也是研究优良性状形成的遗传机制的重要资源。目前，常规的遗传变异检测流程通常依赖于单一参考基因组，在序列比对时会产生参考基因组偏好性，影响了变异检测的准确性，尤其对于像苹果等高杂合度物种中，传统的变异检测方法往往只检测到在不同芽变品种中共有的杂合胚系变异，而真正导致芽变品种表型差异的体细胞变异则常常被掩盖。
为了解决这一难题，本研究首先结合Pacbio长读长测序数据、家系数据和Hi-C数据，构建了一套完全定相的高质量二倍体基因组。该套基因组不仅将绝大多数染色体组装到了T2T级别，并首次将‘富士’的两套染色体分别构建为来源于‘国光’和‘元帅’的两组单倍体基因组(Fuji_Ral和Fuji_Del)。本研究开发了一套基于二倍体基因组的体细胞变异检测流程。该流程通过将基因组测序数据比对到最优的单倍体基因组上，该流程提高了序列比对的质量，降低了变异检测过程中的假阳性，从而在检测富士品种的体细胞变异时，成功排除掉了品种间共享的杂合胚系变异的干扰，为后续分析奠定了重要的基础。
图1 a富士的二倍体基因组组装；b 基于二倍体基因组的变异检测流程
通过利用这些体细胞变异构建的系统发育树，研究发现短枝型性状存在于‘富士’谱系的系统发育树的多个分支上，表明短枝型品种可能有不同的起源。其中一个分支聚集了主要的短枝型品种，这些品种在MdTCP11基因上游启动子区域均存在一段167 bp的杂合序列缺失。该序列与MITE转座元件重叠，并且存在甲基化修饰。短枝型品种在该区域的甲基化水平较低，同时MdTCP11的表达量显著升高。启动子活性试验进一步验证了MITE序列的缺失能够增强基因的表达活性。在苹果中过表达MdTCP11导致株高降低，充分表明MdTCP11在苹果短枝型品种节间发育中具有重要作用。
基于以上研究，研究团队已成功选育矮化性状好的多个短枝型芽变品种优系，其中暂定名为‘丰富2021’的优系正在申请国家登记，并在陕西、甘肃和新疆等地试栽表现良好。在“非粮化”政策背景下，我国一些干旱缺水、土壤贫瘠、立地条件差的苹果产区，尤其是缺乏灌溉条件的果园，现行的矮化砧木因抗性差而难以适应。短枝型品种嫁接抗性好的乔化砧木或半矮化砧木，成为实现树体矮化的有效途径，形成了乔化短枝型的中国式矮化栽培模式。这一模式已在生产中大面积推广应用，为种植者带来了良好的收益。同时，与普通型品种相比，短枝型品种短枝比例高、易成花结果，同化产物更多的分配到果实中去，从而显著提高经济系数（经济学产量/生物学产量）显著提高，是一种低消耗高产出的生态友好品种。
图2 a 富士短枝型芽变和标准型树体观察；b 富士芽变品种的系统发育树
图3 a 苹果短枝型和标准型形态观察；b 苹果短枝型和标准型MdTCP11启动子序列对比；c MdTCP11过表达苹果表型鉴定和统计
本研究揭示了富士苹果80余年芽变选种的基因组学基础，解析了短枝型变异的遗传学机制，为提高芽变选种效率和短枝型性状遗传改良提供了丰富的理论指导和基因资源。
蔡钰东、高秀华、毛江萍、刘昱、童路和陈锡龙为该论文第一作者，西北农林科技大学张东教授、姜雨教授、毛江萍副教授和美国康奈尔大学费章君教授为该论文的通讯作者，美国康奈尔大学、法国国家科学研究中心、新西兰植物食品与研究所和辽宁省果树科学研究所等国内外多家单位联合完成了该项工作。该项工作依托作物抗逆与高效生产全国重点实验室、国家苹果改良中心和园艺科学研究中心等平台完成，得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家苹果产业技术体系、国家级人才项目和学校“双一流”学科群建设专项等项目的资助。
文章连接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54428-2
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