随着高通量测序技术的迅猛发展和组学研究的不断深入，泛基因组（pan-genome）的概念应运而生，并迅速成为研究复杂生物遗传多样性的重要工具。泛基因组不仅包含某一物种共享的核心基因组（core genome），还涵盖个体间独有或变异的非必需基因组（dispensable genome），反映了物种在进化、适应与驯化过程中遗传多样性的全貌。尤其在经济、营养和生态价值巨大的水果领域，泛基因组的构建为解析驯化历史、基因功能以及重要农艺性状（如风味、糖分含量、抗病性和果实形态）的遗传机制提供了全新的视角。近年来，随着越来越多的水果物种完成高质量基因组组装与测序，科学家们开始借助泛基因组策略整合不同种质资源的遗传信息，揭示水果遗传多样性的复杂性及其与果实性状的关联。这些研究不仅对水果的起源、驯化路径及基因组独特性进行了深入挖掘，还为遗传改良和分子育种提供了科学基础。往期，我们盘点过木本植物泛基因组，详解介绍过泛基因组的概念、构建方法、发展历史数据库，本期我们将系统梳理和总结近年来水果物种已发表的泛基因组研究进展，盘点覆盖的物种、关键成果及研究方法，同时探讨泛基因组在未来水果育种与资源保存中的应用潜力。
Telomere-to-telomere Citrullus super-pangenome provides direction for watermelon breeding
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发表单位：北京大学现代农业研究院
发表期刊：Nature Genetics（IF=31.8）
发表时间：2024
材料选择：西瓜属全部7个种（6个野生种和1个栽培种）的28份代表性材料
测序策略：Illumina（平均62X）+Pacbio HiFi（平均81X）/ONT（平均85X）+Hi-C（平均699X）+RNA-seq
组学技术：基因组+转录组+代谢组
生物学问题：西瓜进化和驯化过程中，苦味、糖分和抗病等性状的研究
验证技术：qRT-PCR，PCR
为了破解葫芦科属西瓜属（Citrullus）的遗传多样性，研究构建了27个不同基因型的端粒到端粒（T2T）组装，涵盖了所有七个西瓜属物种。这一T2T超级泛基因组通过新增399.2 Mb的基因组序列和11,225个基因，扩展了之前已发表的参考基因组T2T-G42。比较分析揭示了基因变体以及结构变异（SVs），阐明了西瓜的进化和驯化过程，这些过程在提升苦味和糖分等特性的同时，却削弱了抗病能力。研究成功地将多种抗病位点从Citrullus amarus（饲用西瓜）和Citrullus mucosospermus（黏籽西瓜）引入到了栽培种Citrullus lanatus（科尔多凡西瓜）中。栽培种C. lanatus中的这些SVs不仅从cordophanus继承，还来源于C. mucosospermus，表明在栽培西瓜的谱系中，除了cordophanus之外还存在其他祖先。该研究显著提升了对西瓜基因组多样性的理解，为所有西瓜属物种提供了全面的参考基因组。这一进展促进了利用野生近缘种探索和遗传改良西瓜的研究。图：28份西瓜材料的泛基因组和核心基因组分析[1]Graph-Based Pangenome of Actinidia chinensis Reveals Structural Variations Mediating Fruit Degreening
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发表单位：安徽农业大学
发表期刊：Advanced Science（IF=14.3）
发表时间：2024
材料选择：基于系统发育关系，从19个驯化品系中选择了7个具有代表性的品种（2个红果，2个绿果，3个黄果），其中大部分为商业栽培品种。
测序策略： PacBio HiFi（40.9–54.9X）+Illumina+RNA-seq
组学技术：基因组，转录组，广靶代谢组
- 生物学问题：猕猴桃果实脱绿，研究基因组进化和驯化中调节果实颜色和品质的结构变异
- 验证技术：顺时表达，GUS染色，RNA干扰，qRT-PCR，WB，叶绿素和类胡萝卜素含量测定
主要内容：
大部分水果在果实成熟过程中伴随着脱绿（叶绿素丧失）。然而，猕猴桃是一种特殊的物种，其果实即使成熟后仍可通过积累大量叶绿素保持绿色果肉。然而，与果实脱绿过程相关的遗传变异知之甚少。在本研究中，通过分析来源于中华猕猴桃（Actinidia chinensis）的7种代表性栽培品种或系的14个染色体级别单倍型基因组组装，构建了一个基于图的猕猴桃泛基因组。共鉴定出49,770个非冗余基因家族，其中核心基因占46.6%，非必需基因占53.4%。此外，还鉴定出84,591个非冗余结构变异（SV）。这一整合了参考基因组序列和变异信息的泛基因组图谱，有助于识别与果实颜色相关的结构变异。研究发现，AcBCM基因启动子中的一个结构变异决定了其在果实发育晚期的高表达，从而通过翻译后调控叶绿素代谢关键酶AcSGR2，使绿色果肉果实积累叶绿素。综上所述，该研究构建了一个高质量的泛基因组，揭示了大量遗传变异，并鉴定出介导果实颜色和果实质量的一种新型结构变异，为进一步研究基因组进化和驯化、QTL基因功能以及基因组辅助育种提供了宝贵的信息。图：猕猴桃泛基因组的组成[2]
Evolutionary history and pan-genome dynamics of strawberry (Fragaria spp.)
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- 测序策略：PacBio ONT+ Illumina +RNA-seq
- 生物学问题：遗传分化及种群演化历史，草莓果实颜色相关机制研究
主要内容：
草莓（Fragaria spp.）近年来已成为各种基础和应用研究的模式系统。过去10年中，共有5个不同物种的基因组被测序。在本研究中报道了5个草莓物种的染色体级参考基因组，其中包括3个新测序物种的基因组，以及128个额外样本的基因组重测序数据，用于估算关键草莓物种的遗传多样性、结构和种群历史。研究分析获得了大多数二倍体草莓物种的完全解析和强支持的系统发育树及分化时间。这些分析还发现了一个新的二倍体物种（Fragaria emeiensis Jia J. Lei）。最后，研究构建了草莓的泛基因组并研究了基因家族的进化动态。值得注意的是，研究鉴定了与不同草莓物种中白色果实相关的MYB10基因的多个独立单碱基突变。这些参考基因组和数据集，结合系统发育估算，为未来草莓研究提供了一个强大的比较基因组学平台和资源。图：7个二倍体草莓基因组的进化[3]
Haplotype-resolved T2T genome assemblies and pangenome graph of pear reveal diverse patterns of allele-specific expression and the genomic basis of fruit quality traits
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发表单位：南京农业大学
发表期刊：Plant Communications（IF=9.4）
发表时间：2024
材料选择：新生成的YLX和HXS单倍型解析T2T组装和7个已发表的主要梨种基因组
测序策略：PacBio HiFi（~53-102X）ONT（~85X），Hi-C（~203-228X），Illumina（~100X），RNA-seq
生物学问题：杂种优势的潜在基因组机制，等位基因特异性表达（ASE）对果实品质的调控，关键基因（如Ma1）的缺失如何影响酸度等果实重要性状。
杂交作物通常表现出更高的产量和更强的抗逆性，但杂种优势（heterosis）或杂交活力背后的基因组机制仍不清楚，这限制了我们预测杂交育种中性状表现的能力。研究生成了两种杂交梨品种‘玉露香’（YLX）和‘红香酥’（HXS）的单倍型解析端粒到端粒（T2T）基因组组装。这两个品种具有相同的母本但父本不同。随后，研究利用这些组装探究了等位基因特异性表达（ASE）的全基因组图景，并构建了梨的泛基因组图谱。在这两种杂交品种中，共观察到接近6000个基因的ASE。分析发现，一部分ASE基因与糖、有机酸和果蜡等果实品质相关，表明这些基因对杂种优势的重要贡献。其中，调控果实酸度的基因Ma1在HXS和YLX的父本单倍型中缺失。基于研究组装的基因组和7个已发表的梨基因组，构建了一个泛基因组图谱。随后，将139种栽培梨基因型（包括本研究测序的97种基因型）的重测序数据比对到泛基因组图谱上，揭示了梨多样化过程中许多结构变异热点和选择性清除。正如预测的那样，Ma1等位基因在低有机酸含量的品种中缺失，这种关联通过Ma1在梨果实和愈伤组织中的过表达功能得到了验证。总体上，这些研究结果揭示了ASE对果实品质杂种优势的贡献，并为高分辨率等位基因发现和关联图谱构建提供了一个强大的泛基因组参考。![]()
图：梨泛基因组图的构建及SV热点的鉴定[4]
Pan-genome analysis of 13 Malus accessions reveals structural and sequence variations associated with fruit traits
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- 发表期刊：Nature Communications（IF=14.7）
- 材料选择：13份苹果材料，4份野生种，9份栽培种；13份材料在果实颜色、果实大小、抗逆性等方面存在差异
- 测序策略：PacBio HiFi（27.82–53.15X）+RNA-seq+Hi-C
- 生物学问题：苹果果实果色、品质和生物抗性相关性状的研究
- 验证技术：RT-qPCR，双荧光素酶报告基因，苹果愈伤组织稳定转化等
主要内容：
结构变异（SVs）和拷贝数变异（CNVs）对肉质果实类物种的性状变异具有重要贡献。研究组装了10个基因多样性丰富的苹果（Malus）样本基因组，包括常绿品种‘澳洲青苹果’和广泛种植的品种‘红富士’。结合之前报道的3个基因组，研究构建了苹果物种的泛基因组，并鉴定出20,220个CNVs和317,393个SVs。研究还观察到CNVs与其关联基因的表达水平呈正相关。此外，研究发现了一段来源于丝裂原活化蛋白激酶同源基因MMK2内含子上的209 bp插入序列，其生成的非编码RNA可调控基因表达并影响果实着色。此外，研究还鉴定出与果实品质和生物抗性相关的重叠结构变异。这一泛基因组揭示了CNVs对基因表达的潜在贡献，并强调了SVs在苹果驯化及其经济性状中的重要作用。图：13份苹果材料的泛基因组分析和核心基因组分析[5]
Grapevine pangenome facilitates trait genetics and genomic breeding
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- 发表期刊：Nature Genetics（IF=31.8）
- 材料选择：9个代表性材料，1个亚洲特有的野生种，8个栽培种（7个食用葡萄，1个酿酒葡萄）
- 测序策略：PacBio HiFi+ONT+Hi-C+RNA-seq（公共数据）
- 生物学问题：品种农艺性状的差异选择，构建首个驯化葡萄图形泛参考基因组
主要内容：
葡萄育种受限于对复杂农艺性状遗传基础的有限理解。研究通过18个新生成的单倍型解析端粒到端粒组装和11个已发表的基因组组装，构建了基于图的泛基因组参考（Grapepan v.1.0）。利用Grapepan v.1.0，研究团队建立了包含9,105,787个短变异和236,449个结构变异（SVs）的变异图谱，这些数据来源于466个葡萄品种的重测序数据。将结构变异整合到全基因组关联研究中，研究为29个农艺性状定位了148个数量性状位点（其中50.7%为新发现），12个性状显著受结构变异影响。当将结构变异纳入分析时，估算的遗传力平均提高了22.78%。研究发现了在代谢和浆果发育方面，酿酒葡萄和食用葡萄之间存在分化的人工选择作用的数量性状位点区域。此外，29个性状之间检测到了显著的遗传相关性。在多基因模型下，研究对每个性状进行了基因组预测。总体而言，本研究通过多性状的基因组选择，为培育优良品种提供了支持。图：T2T基因组组装和Grapepan v.1.0的构建[6]
Pangenome analysis provides insight into the evolution of the orange subfamily and a key gene for citric acid accumulation in citrus fruits
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发表单位：华中农业大学
发表期刊：Nature Genetics
发表时间：2023
材料选择：18个物种：6柑橘相关属的6个代表性物种和6个柑橘属物种测序组装；还有6个已发表的柑橘属的基因组数据；柑橘属既有栽培种，也有野生种；取材来自古印度板块、非洲、中国南中部等；组织类型为果肉。
测序策略：Nanopore/PacBio（42.9-164.5×）+Illumina+Hi-C
组学技术：广泛靶向代谢组+基因组+转录组
生物学问题：进化起源和果实味道（柠檬酸）演化的调控机制
验证技术：基因编辑、EMSA、双荧光素酶
柑橘亚科（Aurantioideae）包括了全球范围内种植的几种柑橘属植物，如甜橙和柠檬。柑橘种的起源一直存在争议，关于柑橘亚科的了解也相对较少。在该研究中，汇编了314个品种的基因组序列，新组装了12种物种的基因组，并为柑橘亚科构建了基于图的泛基因组。分析表明，古印度板块是柑橘相关属的祖先区域，而中国南中部是柑橘属的主要起源中心。研究发现，与柑橘相关属相比，柑橘属中PH4基因的序列和表达存在大量变异。基因编辑和生化实验表明，PH4在柑橘果实中积累柠檬酸的过程中发挥了核心作用。这项研究为柑橘亚科的起源和进化以及果实味道演化的调控机制提供了洞见。![]()
图：柑橘亚科的泛基因组分析[7]
Pan-genome analysis sheds light on structural variation-based dissection of agronomic traits in melon crops
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- 材料选择：组装马泡瓜甜瓜基因组结合已发表的8个具有代表性的不同生态型的主流栽培甜瓜，主要包含两个亚种（ssp. agrestis和 ssp. Melo）和一个杂交亚种(ssp. MeloX ssp. agrestis)。
- 测序策略：PacBio HiFi(76.19×)+Illumina+Hi-C
- 生物学问题：果实驯化改良过程中蔗糖代谢、果肉颜色等性状相关研究
主要内容：
新鲜水果的甜度和外观是消费者关键的口感和偏好属性，通常由多个基因共同调控。然而，通过单一基因组的遗传分析对关键位点或目标基因进行精细定位具有挑战性。在此，研究展示了一个具有野生形态特征的地方品种甜瓜（Cucumis melo ssp. agrestis）的染色体级基因组组装，并通过整合已测序的甜瓜基因组数据集构建了甜瓜泛基因组图谱。比较基因组分析揭示了总计340万个遗传变异，其中存在/缺失变异（PAVs）主要参与调控甜瓜驯化和改良过程中蔗糖代谢相关基因的功能。研究进一步通过基于结构变异（SV）的全基因组关联研究解析了多个与蔗糖含量、果肉颜色、果皮条纹及果皮沟纹相关的位点。此外，通过批量BSA测序和图位克隆，研究发现了一个决定甜瓜果皮可食或不可食特性的单一基因（CmPIRL6）。这些发现提供了重要的哈密瓜泛基因组信息，并为未来基于泛基因组信息的甜瓜品种培育提供了强大的工具箱。图：甜瓜的泛基因组特征[8]
本期，水果相关的泛基因组文章盘点到这了，如您有泛基因组相关的研究计划，欢迎联系我们~![]()
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武汉爱基百客生物科技有限公司（简称爱基百客）是一家专注于表观组学、单细胞时空组学和高通量测序分析服务的新型生物科技企业。公司办公面积逾3000m2，员工已达到百余人，业务覆盖全国，核心团队来自国内知名高校和基因测序公司。公司先后引入ChIP、ATAC-seq、CUT&Tag、单细胞（进口、国产多平台）、DNBSEQ-T7和STOmics时空组学等实验平台，同时配备MGISP-960和AlphaTool等自动化设备。运营至今合作科研客户超2000家，涵盖国内知名科研院所、高校及相关企业。多项合作成果发表在Science、Cancer Cell、Circulation、Nature Communications和Plant Cell等国际顶级期刊，广受客户好评，成为国内成长最迅速的高通量测序科研服务企业之一。爱基百客将秉承服务至上的理念，发挥自身优势，期待与海内外科研学者精诚合作，共探生命百科全书。
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[1] Zhang Y, Zhao M, Tan J, et al. Telomere-to-telomere Citrullus super-pangenome provides direction for watermelon breeding[J]. Nature Genetics, 2024, 56(8): 1750-1761.[2] Wang Y, Li P, Zhu Y, et al. Graph‐Based Pangenome of Actinidia chinensis Reveals Structural Variations Mediating Fruit Degreening[J]. Advanced Science, 2024: 2400322.[3] Qiao Q, Edger P P, Xue L, et al. Evolutionary history and pan-genome dynamics of strawberry (Fragaria spp.)[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(45): e2105431118.[4] Li Q, Qiao X, Li L, et al. Haplotype-resolved T2T genome assemblies and pangenome graph of pear reveal diverse patterns of allele-specific expression and the genomic basis of fruit quality traits[J]. Plant Communications, 2024, 5(10).[5] Wang T, Duan S, Xu C, et al. Pan-genome analysis of 13 Malus accessions reveals structural and sequence variations associated with fruit traits[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 7377.[6] Liu Z, Wang N, Su Y, et al. Grapevine pangenome facilitates trait genetics and genomic breeding[J]. Nature Genetics, 2024: 1-11.[7] Huang Y, He J, Xu Y, et al. Pangenome analysis provides insight into the evolution of the orange subfamily and a key gene for citric acid accumulation in citrus fruits[J]. Nature genetics, 2023, 55(11): 1964-1975.[8] Lyu X, Xia Y, Wang C, et al. Pan-genome analysis sheds light on structural variation-based dissection of agronomic traits in melon crops[J]. Plant Physiology, 2023, 193(2): 1330-1348.
