該研究構建兩個(gè)表型差異的菜用型和果用型兩性株栽培品種的高質(zhì)量基因組及其單倍型分型的性別決定區（SDRs），破譯了番木瓜果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)性狀逐步選擇及其兩性株性狀獨特起源的遺傳基礎。百邁客生物為該研究提供了基因組、群體、轉錄組測序及部分分析服務(wù)！

研究背景

番木瓜（Carica?papaya）是中國和世界熱帶地區最重要的熱帶水果之一，被世界衛生組織列為最有營(yíng)養價(jià)值的十大水果之首，同時(shí)也是研究熱帶樹(shù)木和水果果實(shí)性狀及性別決定遺傳與基因組學(xué)的理想模型系統。然而，番木瓜關(guān)鍵果實(shí)馴化性狀的形成及商業(yè)上至關(guān)重要的兩性株現象的基因組基礎仍知之甚少。

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團隊經(jīng)過(guò)十年努力，搜集了來(lái)自全球4大州20多個(gè)國家地區的340多份番木瓜種質(zhì)資源，開(kāi)展核心種質(zhì)鑒定和育種技術(shù)攻關(guān)，保存了超過(guò)300份番木瓜核心種質(zhì)并建立了成熟高效的遺傳轉化技術(shù)體系。團隊通過(guò)對野生型、菜用普通型和鮮食水果型番木瓜的群體基因組分析，闡明了其馴化歷史和地理傳播模式。

基于全重實(shí)驗室熱帶生物組學(xué)大數據中心的全基因組選擇和分子設計育種技術(shù)體系，鑒定出了42個(gè)與果實(shí)大小、甜度和維生素C含量等關(guān)鍵育種性狀顯著(zhù)相關(guān)的分子標記。

整合正向遺傳學(xué)和基因編輯等功能實(shí)驗證據鑒定了控制番木瓜果實(shí)大小、甜度和維生素C含量的關(guān)鍵選擇基因，揭示了馴化和改良過(guò)程中針對CpPUP11和CpICMT的分步式選擇重塑果實(shí)大小，以及針對CpMAPK1、CpCOX、CpCIN和CpUBE3的人工選擇提升果實(shí)甜度和維生素C含量的遺傳基礎（圖1和圖2）。

同時(shí)，研究者發(fā)現從野生雄株到栽培兩性株性別轉換的兩次獨立事件（MSY1-HSY1和MSY3-HSY3），形成了兩個(gè)獨特的兩性株特異性Yh品系（HSY1和HSY3），揭示了一條獨特的雄性偏向的兩性株進(jìn)化路徑。

這種性別轉換是由針對雄性偏好基因的選擇驅動(dòng)的，并在Yh連鎖區域中定位了一個(gè)與性別轉換密切相關(guān)13?bp串聯(lián)重復結構變異（HSY3-TR-13bp）。該兩性株特異性變異位于雄性偏好基因CpPGLP1A中，且被HSY3群體選擇固定（圖3）。

圖1. CpPUP11決定番木瓜果實(shí)寬度

圖2.?CpCIN啟動(dòng)子變異調控番木瓜果實(shí)果糖含量

圖3.?兩性株性別的多系起源及雄性偏向基因對兩性株性別馴化的貢獻

研究總結

該研究系統揭示了番木瓜馴化的基因組基礎，描繪了分步選擇重塑果實(shí)性狀的演化軌跡，以及雄性偏好選擇驅動(dòng)新型兩性性別系統產(chǎn)生的遺傳基礎，為重要熱帶作物的馴化性狀演化與性別決定機制提供了新的認見(jiàn)解，促進(jìn)了番木瓜從組培擴繁到全兩性株種子苗繁育方式的轉變。

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