Первый геном китайской сливы — важный ресурс для улучшения плодовых культур

Китайская исследовательская группа под руководством Пекинского лесного университета, BGI, Beijing Lin Fu Ke Yuan Flowers Co., Ltd и других институтов завершила первое полное секвенирование генома Prunus mume, известного как мэй (китайская слива). Эта работа крайне важна для более глубокого понимания эволюции семейства Розоцветных (Rosaceae) и предоставляет бесценный ресурс для улучшения плодовых деревьев. Исследование было опубликовано онлайн в журнале Nature Communications.

P. mume был одомашнен в Китае более 3000 лет назад и является одним из самых долгоживущих цветущих плодовых деревьев. Он принадлежит к семейству Rosaceae — третьему по экономической значимости семейству растений в умеренных регионах — и характеризуется высокой питательной и медицинской ценностью, а также устойчивостью к низким зимним температурам.

Техника размножения, обеспечивающая разнообразие P. mume — искусственная прививка — также затрудняет сборку его генома. В этом исследовании учёные секвенировали геном дикого вида P. mume из Тибета, используя комбинацию технологий секвенирования нового поколения (NGS) и картирования всего генома (WGM). Затем они построили высокоплотную генетическую карту с помощью стратегии маркеров RAD (restriction-site associated DNA), что дополнительно улучшило качество геномного референса. В результате был получен референсный геном P. mume размером ~237 Мб.

Эволюционный анализ генома P. mume показал, что после его дивергенции с Malus x domestica (яблоней) не происходило событий полногеномной дупликации (WGD). Однако палеоисторический анализ выявил трёхкратную геномную организацию в геноме P. mume.

На основе геномных данных яблони и земляники (Fragaria vesca) исследователи успешно реконструировали девять предковых хромосом семейства Rosaceae и проанализировали историю слияний, делений и дупликаций хромосом в трёх основных подсемействах (Prunus, Malus и Fragaria). Согласно анализу, для формирования генома P. mume из девяти общих предковых хромосом потребовалось как минимум 11 делений и 11 слияний. У яблони для достижения 17-хромосомной структуры произошла как минимум одна WGD и пять слияний, а у земляники — 15 слияний для формирования 7-хромосомной структуры.

Исследователи изучили генетические механизмы, связанные с акклиматизацией к холоду и выходом из состояния покоя, поскольку P. mume цветёт ранней весной, даже при температуре ниже 0℃. Было обнаружено, что два важных фактора, связанных с цветением и покоем, — это семейство транскрипционных факторов DAM (dormancy-associated MADS-box) и транскрипционные факторы CBF (C-repeat-binding).

Для понимания механизма цветочного аромата были идентифицированы гены, связанные с биосинтезом летучих соединений, например, ген бензилацетилтрансферазы (BEAT). Учёные предположили, что экспансия семейства генов BEAT может увеличивать содержание бензилацетата и тем самым вызывать особый аромат P. mume.

В геноме P. mume было обнаружено значительное расширение семейств генов, связанных с устойчивостью к болезням, таких как:

• Гены LRR-RLK (leucine-rich repeat receptor-like kinase)
• Гены устойчивости, кодирующие NBS-домен (NBS-coding R gene)
• Семейства PR-генов (pathogenesis-related)

Большинство семейств PR-генов в P. mume заметно расширены, особенно PR10. Это расширение может быть связано с реакцией растения на засоление, засуху и грибковую инфекцию в корнях и листьях.

Как отметил Вэньбинь Чэнь, менеджер проекта BGI: «Геном P. mume закладывает прочную основу для идентификации важных хозяйственных признаков и предоставляет ценный ресурс для селекции P. mume и исследований других видов Rosaceae. Эта работа также открывает новые подходы для дальнейшего изучения биосинтеза цветочного аромата, механизмов регуляции раннего цветения при эндодормантности и других сравнительно-геномных исследований видов Rosaceae».