野生和栽培菠萝基因组结构变异的比较及其对重要农艺性状的影响

Pineapple is not only an economically important tropical fruit in China, but also serves as a model plant for studying crassulacean acid metabolism (CAM) photosynthesis, which is a photosynthetic carbon assimilation pathway with high water-use efficiency. Since cultivated pineapple is self-incompatible, most of commercial cultivars are generated by asexual reproduction and their genomes are prone to somatic mutation. Therefore, study on genetic variation in pineapple is important for pineapple breeding. Benefit from recently developed sequencing technology, it is realized that structural variation plays equally or more important roles in biological meaning, compared with single nucleotide polymorphism (SNP) and short indels. In this study, we will integrate re-sequencing data, RNA-seq technology as well as population genomics to identify potential functional genes, which may have large effect on phenotype diversity in wild and cultivated pineapples. Our results will provide new insight into genetic mechanism of pineapple diversity and benefit for molecular breeding.

菠萝是世界上具有重要经济价值的热带水果，也是景天科酸代谢途径(CAM)的重要模式作物。栽培菠萝多数自交不亲和，生产上通常以无性繁殖的方式繁育后代，栽培菠萝因此积累了多种表型的变异。随着基因组学的发展，我们逐渐认识到相对于小片段的遗传变异（包括SNP，InDel等），基因组的结构变异对于生物体表型改变产生的作用更为重要。本研究拟利用基因组重测序数据鉴定野生和栽培菠萝间的两类基因组结构变异：拷贝数变异(CNV)和基因存在缺失变异(PAV)，结合群体遗传学、比较基因组学和表达谱系数据，对自交不亲和性、叶缘有刺无刺、萜类合成、乙烯合成、糖分积累等重要经济性状进行关联分析，筛选可能引起这些表型差异的候选功能基因。相关成果将为人们进一步理解菠萝种质资源表型差异及菠萝选育提供重要的参考和理论依据。

菠萝是深受人们喜爱的水果，也是禾本科植物基部物种，具有重要的科学意义和生产价值。菠萝品种多种多样、形态各异，如野生菠萝果实小、甜度低、自交亲和，栽培菠萝果实丰满、糖分含量高、自交不亲和等。这些性状差异的背后很可能是由遗传变异引起的。本课题首先利用最新的测序技术构建高质量的野生菠萝CB5基因组，并对89个不同地理来源和不同遗传背景的菠萝品种进行全基因组重测序和变异检测。结合群体遗传学和比较基因组学方法，我们鉴定到一系列存在拷贝数变异的基因影响菠萝重要经济性状的改变。主要研究结果如下：.1.构建野生菠萝CB5染色体水平的基因组。利用PacBio单分子测序和染色质构象捕获技术将野生菠萝CB5组装到25条染色体，contig N50为427 kb，评估完整度87.8%。注释31,745个蛋白编码的基因。此外，基于Gypsy在染色体上的分布和与CB5的共线性，我们鉴定并修正了F153基因组的组装错误。.2.构建菠萝全基因组结构变异图谱。采用两种策略鉴定菠萝全基因组结构变异：基于基因组和基于群体重测序的策略。通过对两个基因组进行全基因组序列比对，我们共鉴定到了10,108个插入，11338个缺失和9046个序列重复等。这些序列总共覆盖了25.8 Mb的基因组序列，占CB5菠萝基因组的5.03%。进一步调查显示，这些结构变异共影响到了7570蛋白编码基因。基于群体重测序数据，我们鉴定到7624个缺失，507个插入和224个重复片段。此外，基于本团队独立开发的popCNV软件，鉴定到1471个拷贝数变异基因受到人工选择。这些基因对菠萝的农艺性状具有重要影响。.3.开发popCNV鉴定功能性拷贝数变异的基因。该方法可以利用群体重测序数据，基于瓶颈效应，计算群体等位相对频率和F统计检验，筛选受到人工选择的拷贝数变异基因。广泛适用于其他农作物。