研究团队揭示柑橘属和柑橘亚科植物起源并鉴定调控果实柠檬酸积累的关键基因

《自然•遗传学》杂志在线发表了我校园艺林学学院、果蔬园艺种质创新与利用全国重点实验室徐强教授团队的研究论文“Pangenome analysis provides insight into the evolution of the orange subfamily and a key gene for citric acid accumulation in citrus fruits”。该研究揭示了柑橘属和柑橘亚科的起源和演化历程，绘制了柑橘亚科的泛基因组图谱，鉴定了调控柑橘果实柠檬酸积累的关键基因，对认识植物果实积累柠檬酸的分子调控机制具有重要科学意义，同时为果实风味育种提供了重要基因资源。

柑橘是全球和我国最重要的果树之一，2022年中国柑橘种植面积超过4500万亩，产量超过5500万吨，柑橘产业在国民经济发展和乡村振兴事业中发挥重要作用。培育优质高效的柑橘新品种，不仅是科学研究的重要目标，也是产业可持续发展的重要保障。

中国柑橘栽培已有4000多年的历史，最早在《禹贡》一书中已有“淮海惟扬州，厥包橘柚锡贡”的记载。中国柑橘种类繁多，种质资源丰富，是世界柑橘的多样性中心，有许多学者提出中国是全球柑橘的起源中心，但由于以往的研究主要局限于橘、橙、柚、柠檬等在世界范围内广泛种植的商业品种，缺乏对柑橘野生种和近缘种资源的系统认识，限制了对柑橘起源、进化的研究，对于柑橘的起源地一直缺乏确凿的证据。

图1 柑橘亚科形态丰富的果实

研究团队对全球和中国各地的柑橘资源历经10余年调查，在全球范围内收集了312份柑橘亚科种质资源的全基因组数据，构建了柑橘亚科的系统进化树，同时结合历史地理位置推断和物种多样性分布，推测古印度板块可能是柑橘亚科的起源中心。通过对基因组遗传信息的深入分析，研究人员重新界定了柑橘属包含15个种，其中包括本研究在中国新发现的两个种。通过对中国野生柑橘资源深入调查和群体结构分析，发现柑橘属中进化地位最早的物种分布在中国南部，并且多样性最高，据此推测中国南部则可能是柑橘属的初生起源中心。喜马拉雅山东南麓和澳大利亚及附近岛屿则是柑橘的两个次生分化中心。

图2 柑橘亚科的系统进化和传播路线

研究人员进一步对12个柑橘亚科的代表种进行了测序组装，并结合已发表的6个柑橘属基因组，构建了柑橘亚科的泛基因组图谱。对柑橘亚科基因组的序列进行分析，发现转座子含量和基因组大小之间具有显著正相关关系，其中solo LTR的含量对基因组大小具有重要贡献。转录组分析和人工杂交群体检测结果显示，有性杂交过程中LTR-TEs能够发生重组形成solo LTR并影响邻近基因的表达。

柠檬酸及柠檬酸循环是植物最基础代谢产物和能量循环。柑橘是植物界非常有名的果实积累异常高的植物，历史上曾经被用来柠檬酸的生产。柠檬酸作为柑橘果实中的主要有机酸，其含量高达柑橘果实有机酸的90%以上。解析柑橘果实柠檬酸积累的分子基础，对于理解柠檬酸积累机理具有重要科学意义。柑橘属栽培物种的果实风味表现出多样化，如柠檬和葡萄柚偏酸，蜜橘非常甜，部分甜橙、柚和橘突变类型甚至无酸，发掘控制果实酸味的关键决定因子，对于培育不同风味的柑橘新品种具有重要现实意义。本研究拓宽了对柑橘亚科植物积累柠檬酸的认识，我们已知栽培柑橘果实柠檬酸含量呈现较大的差异，野生柑橘属植物果实柠檬酸含量均很高，有趣的是，柑橘近缘种部分类型（含野生资源）果实并不积累柠檬酸。研究人员利用柑橘亚科的泛基因组图谱并结合转录组分析，鉴定到一个包含R2R3 Myb结构域的转录因子CitPH4，该基因在柑橘属植物果实具有较高的表达水平，而在柑橘属之外的近缘属中几乎不表达，且该基因的序列在柑橘属和柑橘近缘属中高度分化，同时，该基因表达水平和柠檬酸的含量呈显著正相关。在早花柑橘山金柑中敲除该基因，发现柠檬酸含量和下游靶基因的表达量均显著降低；而超量表达该基因，柠檬酸含量及靶基因的表达量均显著提高。进一步通过生化互作实验证明，CitPH4通过结合并激活液泡膜质子泵基因PH5调控柑橘液泡酸化进而促进柠檬酸积累。这些结果表明，CitPH4可以作为柑橘果实风味改良的关键基因，对于柑橘优质育种具有重要价值。

图3基因编辑敲除CitPH4基因显著降低柑橘果实柠檬酸含量

邓秀新院士参与指导了本研究开展，云南省农业科学院岳建强、高俊燕、王绍华，湖南省农业科学院陈鹏、杨水芝、曾斌等老师，以及来自澳大利亚昆士兰农业和渔业部门的Malcolm Smith和美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Ray Ming等多位老师参与完成了该研究。徐强教授为该论文的通讯作者，我校博士后黄跃、已毕业博士何佳鲜、博士后徐远涛和郑伟康为论文的共同第一作者。该研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北洪山实验室基金、云南省特别项目、湖北省重点项目以及国家博士后创新人才支持计划等项目的资助。