薔薇科懸鉤子屬(Rubus)包含樹(shù)莓、黑莓等700多個(gè)物種，既是重要的藥食同源經(jīng)濟(jì)作物(富含花青素、鞣花酸等抗氧化成分)，也是分類學(xué)上公認(rèn)的復(fù)雜類群，其物種親緣關(guān)系長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議。中國(guó)是懸鉤子屬的多樣性中心之一，擁有200余種，西南地區(qū)更是其現(xiàn)代分化中心，豐富的野生資源蘊(yùn)藏著珍貴的抗逆和優(yōu)異品質(zhì)相關(guān)基因的多樣性。此前針對(duì)懸鉤子屬的多組學(xué)研究主要聚焦于栽培種，野生樹(shù)莓的基因組信息相對(duì)匱乏，導(dǎo)致其起源進(jìn)化歷史、果實(shí)品質(zhì)調(diào)控等科學(xué)問(wèn)題尚未得到充分解析，限制了野生資源的開(kāi)發(fā)與利用。

中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所泛第三極植物多樣性家譜及生存策略攻關(guān)團(tuán)隊(duì)首先解析了4種野生懸鉤子高質(zhì)量基因組，包括高雜合野生二倍體紅樹(shù)莓(R. idaeus)及其近緣種庫(kù)頁(yè)懸鉤子(R. sachalinensis)的單倍型基因組，以及西南地區(qū)廣布的低雜合二倍體橢圓懸鉤子(R. ellipticus)和紅泡刺藤(R. niveus)的染色體級(jí)基因組?；谛陆M裝以及已發(fā)表的基因組，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了懸鉤子屬泛基因組，鑒定出10,243個(gè)核心基因家族，這些基因是樹(shù)莓生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)遺傳保障。值得注意的是，該研究在高雜合度的二倍體野生樹(shù)莓中區(qū)分出A/B亞基因組，并發(fā)現(xiàn)著絲粒區(qū)域含有亞基因組特異性的k-mer序列，這些序列富集了不同的Gypsy/Athila類LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，推測(cè)著絲粒序列差異可作為亞基因組分型以及追溯起源演化的“進(jìn)化指紋”。

進(jìn)一步對(duì)涵蓋懸鉤子屬80個(gè)物種的125份材料進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育基因組分析，發(fā)現(xiàn)屬內(nèi)存在復(fù)雜的核質(zhì)基因組沖突，印證了種間雜交與不完全譜系分選導(dǎo)致復(fù)雜進(jìn)化歷史。通過(guò)亞基因組與系統(tǒng)發(fā)育分析，發(fā)現(xiàn)庫(kù)頁(yè)懸鉤子位于紅樹(shù)莓分支的基部，兩者的亞基因組間存在古老重組抑制，并存在共同祖先的同源雜交起源。另外，紅樹(shù)莓不同品種間的廣泛遺傳漸滲現(xiàn)象尤為突出?；谥z粒單倍型覆蓋度分析對(duì)17個(gè)紅樹(shù)莓品種的祖先成分追溯，發(fā)現(xiàn)北美與歐洲品種攜帶較為單一的亞基因組(i型)，而中國(guó)分布的野生類群保留了更多祖先遺傳多樣性(i和I型)，成為改良廣布品種遺傳背景的寶貴資源。

通過(guò)整合紅、黃、黑三種果實(shí)顏色的不同懸鉤子物種主要發(fā)育階段的代謝與表達(dá)譜數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了果實(shí)品質(zhì)性狀形成的遺傳機(jī)制。代謝分析顯示，在果實(shí)成熟過(guò)程中藥用成分(黃酮、酚酸、萜類)逐漸減少，而營(yíng)養(yǎng)成分持續(xù)積累，提示“未成熟果側(cè)重防御、成熟果吸引傳播者”的生態(tài)策略，為優(yōu)化藥用與食用采收期提供了理論依據(jù)。整合轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)橢圓懸鉤子的黃色果實(shí)雖然能夠正常合成花青素(如飛燕草素、矢車菊素)，但因谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶基因(RelGST)表達(dá)受抑，導(dǎo)致花青素?zé)o法有效轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡積累，而葉黃素等類胡蘿卜素的積累使得果實(shí)呈現(xiàn)黃色。通過(guò)瞬時(shí)過(guò)表達(dá)RelGST可使黃果顯著變紅，且花青素類化合物的含量提升近200倍，證實(shí)了其為果實(shí)顏色限制因子，為樹(shù)莓果實(shí)顏色育種提供了候選靶基因。

綜上，該研究探索了懸鉤子屬的分類學(xué)爭(zhēng)議與進(jìn)化脈絡(luò)，挖掘了著絲粒用于遺傳溯源的應(yīng)用潛力，明確了中國(guó)西南地區(qū)野生懸鉤子是珍貴的種質(zhì)資源，為野生資源馴化、優(yōu)異基因挖掘、藥用食用代謝調(diào)控、分子育種提供了理論依據(jù)。文章以Multi-omics Analyses Shed Lights on the Evolution and Fruit Development of Chinese Raspberries (Rubus spp.)為題發(fā)表在植物學(xué)期刊Journal of Integrative Plant Biology。中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所張?bào)w操研究員為第一和共同通訊作者，聯(lián)合培養(yǎng)博士生羅登麗、云南中醫(yī)藥大學(xué)李國(guó)棟教授、云南大學(xué)王煥沖教授為共同第一作者，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)喬琴教授和昆明植物所孫航院士為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及云南省高原特色小漿果種質(zhì)資源挖掘與利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。

圖1 懸鉤子屬高度雜合二倍體的亞基因組分型和演化

圖2 懸鉤子屬植物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與遺傳漸滲分析

圖3 懸鉤子屬植物基因組的著絲粒序列特征

圖4 三種果實(shí)顏色懸鉤子花青素代謝的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)