甜橙是全球最重要的水果作物之一。但由于甜橙遺傳背景單一，導(dǎo)致甜橙對(duì)病害威脅極為敏感，容易遭受多種毀滅性病害的侵襲。闡明甜橙的起源有助于馴化新的甜橙品種，使其更好地應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際著名期刊《Nature Genetics》發(fā)表了標(biāo)題為“Origin and de novo domestication of sweet orange”的研究論文。在本研究中，作者組裝了甜橙和酸橙的T2T單倍型分型基因組，研究結(jié)果闡明了甜橙的起源，并通過(guò)從頭馴化培育出了抗病的甜橙，為快速馴化多年生作物提供了一種新的策略。

作者對(duì)118份酸橙和地方柑橘以及76份栽培柑橘進(jìn)行了測(cè)序，加上之前發(fā)表多份柚子、柑橘和甜橙基因組數(shù)據(jù)一起進(jìn)行群體基因組學(xué)分析。PCA結(jié)果顯示，柚子和柑橘之間的變異最大。PCA和系統(tǒng)發(fā)育分析將酸橙分為三組，這些組別與其地理分布基本一致。而所有甜橙品種在PCA圖中匯聚為一個(gè)點(diǎn)，且更接近來(lái)自NYW地區(qū)的酸橙組別。這些數(shù)據(jù)表明，酸橙和甜橙之間存在密切的親緣關(guān)系。

為了探索酸橙和甜橙的遺傳組成，作者進(jìn)一步通過(guò)全基因組分析，確認(rèn)甜橙品種共享幾乎相同的遺傳背景，這與大多數(shù)甜橙品種源自體細(xì)胞突變的觀點(diǎn)一致。而酸橙的基因組幾乎完全為雜合狀態(tài)，一個(gè)等位基因來(lái)自柑橘，另一個(gè)來(lái)自柚子，這與酸橙是柑橘和柚子雜交F1代的觀點(diǎn)一致，并且酸橙和甜橙的基因組大部分共享來(lái)自柑橘和柚子的大片段雜合區(qū)域。

圖1：中國(guó)南方區(qū)域柑橘物種的遺傳多樣性

為了闡明甜橙的遺傳起源，作者分別構(gòu)建了甜橙（Citrus sinensis）和酸橙（Citrus aurantium）的單倍型端粒到端粒（T2T）基因組。

作者通過(guò)結(jié)合PacBi HiFi（189×）和Nanopore Ultra-long（82×）以及97× Hi-C數(shù)據(jù)，生成了一個(gè)高雜合度（約2%）的端粒到端粒（T2T）基因組。根據(jù)與柑橘和柚子基因組的序列相似性，作者將甜橙的兩套同源染色體根據(jù)與柑橘和柚子的基因組相似性分為兩個(gè)單倍型‘SWO-M’和‘SWO-P’。通過(guò)BUSCO評(píng)估、測(cè)序數(shù)據(jù)覆蓋度等評(píng)估了兩個(gè)T2T單倍型基因組的高質(zhì)量組裝，F(xiàn)ISH實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證和支持了端粒和著絲粒組裝的完整性。

對(duì)于酸橙的單倍型T2T基因組，作者結(jié)合PacBio HiFi（102×）和Nanopore Ultra-long（157×）和115×HiC數(shù)據(jù)組裝了‘ZGSC’酸橙的兩套單倍型T2T基因組，兩套同源染色體被分類為‘SSO-M’（起源于柑橘）和‘SSO-P’（起源于柚子）染色體。酸橙T2T基因組組裝完成了所有18個(gè)著絲粒和大部分端粒。

作者進(jìn)一步對(duì)柑橘‘莽山’、柚子‘紫皮’、柑橘‘椪柑’和天然雜交甜橙‘TJH2’四個(gè)品種進(jìn)行了PacBio或Nanopore測(cè)序，結(jié)合HiC數(shù)據(jù)，生產(chǎn)了四個(gè)品種的染色體級(jí)別基因組，基因組大小為333–365.5 Mb，contig N50平均值高達(dá)20.7 Mb。

圖2：甜橙單倍型T2T基因組

表1：甜橙和酸橙單倍型T2T基因組組裝數(shù)據(jù)

作者利用305份柑橘品種的NGS數(shù)據(jù)并結(jié)合測(cè)序的T2T參考基因組進(jìn)行相關(guān)分析，提出甜橙起源于酸橙（母本）與椪柑類柑橘（父本）的雜交，而酸橙則是野生柑橘與柚子更古老雜交的后代。巧合概率也支持了上述推斷，甜橙源自酸橙和椪柑柑橘的概率為82.97 ± 2.77%，而酸橙是柚子與柑橘雜交后代的概率為84.55 ± 3.01%。

圖3：甜橙的起源解析

為了測(cè)試起源模型并向甜橙引入多樣性，作者設(shè)計(jì)并使用抗性基因型‘ZGSC’作為母本，椪柑柑橘作為父本進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)。獲得了892個(gè)胚胎，并驗(yàn)證了215個(gè)胚胎為雜交個(gè)體。在雜交群體中觀察到果實(shí)品質(zhì)和抗病性方面的顯著性狀變異。PCA分析進(jìn)一步證明獲得了一個(gè)高度多樣化的雜交群體。在這些雜交種中，有三個(gè)在PCA分析中與商業(yè)甜橙幾乎重疊。這三個(gè)雜交種果實(shí)形狀、果皮顏色和果實(shí)風(fēng)味等特征均與甜橙非常相似。作者通過(guò)對(duì)這三個(gè)雜交種進(jìn)行基因組測(cè)序分析。結(jié)果表明作者的雜交實(shí)驗(yàn)支持甜橙源自酸橙與柑橘雜交的模型。

圖4：甜橙的重頭馴化

為探究酸橙對(duì)Xcc抗性的分子機(jī)制，作者進(jìn)一步分析了Xcc易感基因CsLOB1的表達(dá)和序列變異，發(fā)現(xiàn)抗性與易感基因型間無(wú)顯著差異，表明抗性非由CsLOB1介導(dǎo)。

通過(guò)比較代謝組分析，鑒定出2,027種代謝物，其中215種在抗性品種葉片中顯著積累，而在果實(shí)中水平較低。進(jìn)一步篩選出16種化合物，發(fā)現(xiàn)13種對(duì)Xcc有抑菌作用，尤其是香豆素類代謝物瑞香素和七葉亭，對(duì)多種病原菌表現(xiàn)出廣譜抗菌活性。通過(guò)代謝物檢測(cè)篩選出29個(gè)雜交種，其中5個(gè)積累了更高水平的瑞香素和O-阿魏酰-2-羥基香豆素，3個(gè)對(duì)柑橘潰瘍病表現(xiàn)出抗性。作者通過(guò)大量RNA-seq測(cè)序數(shù)據(jù)，鑒定出248個(gè)在抗性品種葉片中上調(diào)的基因，包括參與香豆素和黃酮類生物合成的基因，與防御代謝物積累一致。

圖5：抗?jié)儾√鸪瓤剐韵嚓P(guān)代謝物的鑒定

結(jié)語(yǔ)

     本文通過(guò)構(gòu)建甜橙和酸橙的單倍型T2T基因組，推斷并驗(yàn)證了了甜橙是酸橙與柑橘雜交產(chǎn)生，另外開(kāi)發(fā)了一種利用酸橙進(jìn)行甜橙從頭馴化的策略。通過(guò)選擇高度雜合的親本并設(shè)計(jì)具有高選擇效率的液相芯片，獲得了基因組序列、代謝物和抗病性均具有廣泛多樣性的甜橙。這項(xiàng)研究也為多年生作物的代謝物選擇提供了相應(yīng)理論驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

Liu, S., Xu, Y., Yang, K. et al. Origin and de novo domestication of sweet orange. Nat Genet (2025). https://doi.org/10.1038/s41588-025-02122-4