張俊環(huán)++孫浩元++楊麗++姜鳳超++王玉柱

摘要：近幾年，果樹(shù)植物全基因組測(cè)序研究迅速升溫，多個(gè)果樹(shù)基因組圖譜被陸續(xù)公布，為果樹(shù)分子生物學(xué)和比較基因組學(xué)研究提供了大量的數(shù)據(jù)信息。通過(guò)比較分析已經(jīng)完成全基因組測(cè)序的11種我國(guó)主栽果樹(shù)的測(cè)序研究結(jié)果，就果樹(shù)植物的起源和進(jìn)化、重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的發(fā)掘以及測(cè)序結(jié)果的應(yīng)用前景方面進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：果樹(shù)；全基因組；測(cè)序；進(jìn)化；功能基因

中圖分類(lèi)號(hào)：Q78文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A[HK]

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0006-06[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-07-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31270709、31401836）；北京市自然科學(xué)基金（編號(hào)6162012）。

作者簡(jiǎn)介：張俊環(huán)（1974—），女，山東菏澤人，博士，副研究員，現(xiàn)主要從事果樹(shù)分子生物學(xué)研究工作。Tel：（010）82595857；E-mail：zhang_junhuan@163.com。

通信作者：王玉柱，博士，研究員，現(xiàn)主要從事果樹(shù)育種研究工作。Tel：（010）82592521；E-mail：chinabjwyz@126.com。

果樹(shù)作為重要的經(jīng)濟(jì)作物，在國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中均占有重要的地位。但是由于果樹(shù)生命周期較長(zhǎng)、基因組的雜合度較高、重復(fù)序列較多、且大多果樹(shù)因自交不親和而導(dǎo)致遺傳背景不清晰，這些因素限制了果樹(shù)分子生物學(xué)研究和全基因組測(cè)序研究的進(jìn)程。然而，近些年，隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展、測(cè)序效率的提高和測(cè)序成本的降低，果樹(shù)植物的全基因組測(cè)序工作在全球迅速展開(kāi)，自2007年完成第一個(gè)果樹(shù)植物葡萄（Vitis vinifera）基因組測(cè)序以來(lái)，不到10年時(shí)間，已有14種果樹(shù)植物的全基因組測(cè)序工作相繼完成。這些果樹(shù)種類(lèi)的全基因組測(cè)序結(jié)果為果樹(shù)分子生物學(xué)研究搭建出了龐大的資源平臺(tái)，不僅有助于了解果樹(shù)的基因組結(jié)構(gòu)和功能，而且對(duì)于探索果樹(shù)植物的起源與進(jìn)化、開(kāi)展重要功能基因的定位和克隆、加速分子育種進(jìn)程等均具有重要的指導(dǎo)意義。本文通過(guò)分析其中11種我國(guó)主栽果樹(shù)的全基因組測(cè)序研究結(jié)果，圍繞果樹(shù)植物尤其是薔薇科植物的起源和進(jìn)化、典型功能組分的代謝通路及其相關(guān)基因，以及測(cè)序結(jié)果的應(yīng)用前景方面進(jìn)行分析和討論。

1主要果樹(shù)植物的測(cè)序結(jié)果基本數(shù)據(jù)

已完成全基因組測(cè)序并公布草圖的14種果樹(shù)植物中，既包括熱帶亞熱帶常綠果樹(shù)香蕉、甜橙、番木瓜和菠蘿，也包括北方落葉果樹(shù)蘋(píng)果、梨、棗等，其中我國(guó)自主完成測(cè)序的樹(shù)種就有6個(gè)。測(cè)序材料除甜橙（Citrus sinensis）采用純合度相對(duì)較高的雙單倍體材料外，其余5個(gè)樹(shù)種均是采用遺傳背景相對(duì)不清晰、雜合度較高的二倍體栽培品種（梨Pyrus bretschneideri、棗Ziziphus jujuba、獼猴桃Actinidia chinensis和菠蘿Ananas comosus）或野生品種（梅花Prunus mume）（表1）[1]。測(cè)序技術(shù)主要采用第二代測(cè)序技術(shù)Illumina平臺(tái)。與第一代Sanger測(cè)序技術(shù)相比，第二代測(cè)序技術(shù)降低了測(cè)序成本，提高了測(cè)序速率，且測(cè)序覆蓋度更高，尤其是Illumina HiSeq 2000測(cè)序技術(shù)平臺(tái)以高通量、高分辨率、高精度和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)發(fā)揮著巨大作用，已成功應(yīng)用于多種果樹(shù)植物的全基因組或轉(zhuǎn)錄組測(cè)序研究。

2果樹(shù)植物的起源和進(jìn)化事件

已完成測(cè)序的植物基因組進(jìn)化過(guò)程研究結(jié)果表明，全基因組復(fù)制事件幾乎發(fā)生于每個(gè)植物的進(jìn)化過(guò)程中。全基因組復(fù)制存在古老的全基因組復(fù)制（old whole-genome duplications，old WGD）和近代的全基因組復(fù)制（recent whole-genome duplications，recent WGD）2種方式。在雙子葉植物中，古老的全基因組復(fù)制也被稱(chēng)為古六倍體化（paleohexaploidization）進(jìn)化或者三倍化復(fù)制（triplicated arrangement），又稱(chēng)γ事件[2-7]。單子葉植物中古老的全基因組復(fù)制事件與雙子葉植物有所不同，包括ρ、σ和τ等3種不同的進(jìn)化事件[8]。近代的全基因組復(fù)制過(guò)程伴隨基因的丟失和基因新功能的產(chǎn)生，是大多數(shù)雙子葉植物進(jìn)化的主要?jiǎng)恿?。?給出了這11種果樹(shù)植物在進(jìn)化過(guò)程中所發(fā)生的全基因組復(fù)制事件。

由表2看出，這11種果樹(shù)植物全部都經(jīng)歷了古老的WGD，并且菠蘿還發(fā)生了2次。已完成測(cè)序的這些真雙子葉植物基因組的六倍體化過(guò)程都發(fā)生在相似的時(shí)間，即是在單子葉植物與雙子葉植物的分化之后，薔薇類(lèi)分支（Eurosids clade）分化之前，早于葡萄科和薔薇科的分化，也早于鼠李科（Rhamnaceae）和薔薇科（Rosaceae）的分化，大約在1.4億年前。在約0.872億年前，棗和薔薇科（包括梨、蘋(píng)果、桃、梅和草莓）發(fā)生了分化[9]。葡萄基因組首次解析了全基因組三倍化復(fù)制事件，被視為古六倍體化進(jìn)化機(jī)制的實(shí)例，隨后蘋(píng)果、草莓、甜橙等基因組結(jié)構(gòu)的分析均支持雙子葉植物祖先的古代六倍體是單一起源的假說(shuō)。另外，值得注意的是，作為單子葉植物的香蕉基因組，在進(jìn)化過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生禾本科植物的ρ、σ或τ復(fù)制，而是發(fā)生了與雙子葉植物相似的γ復(fù)制事件[10]。[FL）]

由表2還可以看出，相對(duì)于進(jìn)化過(guò)程中普遍發(fā)生的古老的全基因組復(fù)制事件，在這11種果樹(shù)植物中僅有蘋(píng)果、梨、獼猴桃和香蕉4種果樹(shù)基因組發(fā)生了近代的WGD事件。通過(guò)共線(xiàn)性區(qū)域分析，發(fā)現(xiàn)獼猴桃進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生3次基因組倍增歷史事件，1次古老的全基因組復(fù)制（γ事件）和2次近代的全基因組復(fù)制事件（Ad-α和Ad-β），后2次分別發(fā)生在0.267億年前和0.729億～1.014億年前[6]。薔薇科的梨與蘋(píng)果、草莓則都經(jīng)歷了1.4億年前雙子葉植物所共有的古六倍化事件，并發(fā)生了1次全基因組復(fù)制事件。之后大約在 0.30 億～0.45億年前，梨和蘋(píng)果又經(jīng)歷了1次全基因組復(fù)制事件，而梨與蘋(píng)果的分化大約發(fā)生在0.054億～0.215億年前[11]。同為薔薇科的草莓、梅、桃與蘋(píng)果發(fā)生分化后，并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)較近時(shí)期的全基因組復(fù)制事件[4-5，12]，葡萄、甜橙、棗基因組在近代也均未發(fā)生全基因組復(fù)制事件[2，7，9]。棗的基因組在歷史進(jìn)化中經(jīng)歷了復(fù)雜的染色體斷裂、融合及片段重組過(guò)程。甜橙基因組在從雙子葉植物古六倍體祖先進(jìn)化過(guò)程中則發(fā)生了頻繁的染色體易位和融合事件，至少有49次發(fā)生在9條染色體上。特別值得注意的是，在4號(hào)染色體上僅發(fā)生1次易位和融合事件，而其他染色體均發(fā)生多次（3～12次）染色體內(nèi)的易位和融合過(guò)程[7]。

多個(gè)薔薇科果樹(shù)植物全基因組測(cè)序的完成，使人們對(duì)薔薇科植物基因組的起源和進(jìn)化過(guò)程有了更深入的了解。通過(guò)草莓屬與李屬間389個(gè)薔薇科標(biāo)記在2個(gè)基因組間共線(xiàn)性區(qū)域的分析，為薔薇科9條祖先染色體的重建提供了更廣泛的證據(jù)[4]。在梅全基因組序列圖譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合已完成的蘋(píng)果和草莓基因組序列，分析了它們?cè)谶M(jìn)化過(guò)程中的染色體變化，進(jìn)一步成功重建出了薔薇科植物的9條祖先染色體[5]，并深入分析了蘋(píng)果屬、草莓屬和李屬3個(gè)屬所分別經(jīng)歷的不同染色體融合、斷裂和復(fù)制事件，即從9條祖先染色體的進(jìn)化過(guò)程中，梅經(jīng)歷了至少11次的斷裂和11次的融合過(guò)程，蘋(píng)果發(fā)生了1次近代WGD和5次融合，而草莓則經(jīng)歷了15次的融合過(guò)程。梨染色體進(jìn)化研究再次證明，有9條祖先染色體不僅是蘋(píng)果亞科的起源，也是整個(gè)薔薇科植物的祖先[11]。

3果樹(shù)重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)基因的揭示

在全基因組測(cè)序過(guò)程中，每個(gè)果樹(shù)種類(lèi)都注釋到了龐大的基因數(shù)目，均在2.5萬(wàn)個(gè)以上（表1），通過(guò)進(jìn)一步的分析，發(fā)掘出了與抗性增強(qiáng)、果實(shí)發(fā)育和品質(zhì)形成相關(guān)的重要基因，不僅有利于本物種優(yōu)質(zhì)、高抗品種或類(lèi)型的培育，而且對(duì)于其他種類(lèi)果樹(shù)抗性及果實(shí)品質(zhì)改良也將起重要借鑒作用。

3.1控制香氣物質(zhì)合成的基因

果實(shí)的香氣物質(zhì)主要包括酯類(lèi)、醇類(lèi)、酮類(lèi)、醛類(lèi)、萜類(lèi)和揮發(fā)性酚類(lèi)等次生代謝物質(zhì)，主要來(lái)自于萜類(lèi)代謝、苯丙烷類(lèi)代謝和脂氧合酶途徑[13]。不同果實(shí)中香氣物質(zhì)的類(lèi)型不同，也就形成了不同種類(lèi)果樹(shù)的果實(shí)有著各自特異的香氣。

草莓果實(shí)的香味物質(zhì)主要來(lái)源于脂肪酸代謝、萜類(lèi)化合物代謝和苯丙烷代謝途徑，有7個(gè)基因家族與這些揮發(fā)性組分的產(chǎn)生有關(guān)，包括?；D(zhuǎn)移酶、萜烯合酶和小分子O-甲基轉(zhuǎn)移酶等[4]。葡萄酒的香氣直接與促進(jìn)萜烯類(lèi)（樹(shù)脂、芳香精油類(lèi)次生代謝物）合成的萜烯合酶（TPSs）基因有關(guān)[2]。在葡萄的基因組中，發(fā)現(xiàn)有89個(gè)與萜烯類(lèi)合成相關(guān)的功能基因和27個(gè)擬功能基因。α-亞麻酸代謝途徑與梨的香氣形成相關(guān)。在梨基因組中分析揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生的3個(gè)主要途徑（脂肪酸、氨基酸和碳水化合物）相關(guān)的基因，發(fā)現(xiàn)在蘋(píng)果和梨中參與α-亞麻酸代謝途徑的脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）和乙醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase，ADH）的基因數(shù)目較多。而促進(jìn)香味物質(zhì)釋放的β-葡萄糖苷酶基因中，僅有20%在梨果實(shí)中表達(dá)，大多香味物質(zhì)仍以結(jié)合態(tài)存在，這可能是梨香味不明顯的原因[11]。Zhang等在對(duì)梅花香味分子機(jī)制的研究中，首次發(fā)現(xiàn)了能直接催化生成梅花花香中重要成分乙酸苯甲酯的苯甲醇乙?；D(zhuǎn)移酶BEAT基因，該基因在梅花基因組中顯著擴(kuò)增至34個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)蘋(píng)果中的16個(gè)、草莓14個(gè)、葡萄4個(gè)。34個(gè)基因中有26個(gè)是呈簇分布的，最大一簇包括12個(gè)基因，并呈串聯(lián)重復(fù)分布。由此推測(cè)這些擴(kuò)張的BEAT基因的劑量效應(yīng)，增加了乙酸苯甲酯的含量，從而使梅花具有獨(dú)特的花香[5]。

3.2控制花青素合成的基因

花青素是使果實(shí)（包括果皮和果肉）呈現(xiàn)紅色的重要成分，是黃酮類(lèi)化合物的一種，是重要的抗氧化物質(zhì)，也是果實(shí)具有漂亮外觀(guān)和內(nèi)在保健價(jià)值的重要組分。

Shulaev等對(duì)草莓轉(zhuǎn)錄因子MYB家族的研究表明，MYB123是草莓花色素合成的重要調(diào)節(jié)因子。草莓中有187個(gè)MYB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子，其中R2R3 MYBs與擬南芥在類(lèi)黃酮和花青素的合成功能上有較高的同源性。通過(guò)擬南芥苯丙烷代謝途徑中的20個(gè)R2R3 MYBs序列與草莓基因組進(jìn)行Blast分析，鑒定出25個(gè)高度同源的序列，其中擴(kuò)張最大的分支是控制原花色素水平的MYB123，在草莓中至少有6個(gè)成員，是草莓中花色素合成的重要調(diào)控因子[4]。已測(cè)序的紅肉獼猴桃“紅陽(yáng)”果實(shí)中也含有較高的花青素，但基因組數(shù)據(jù)顯示獼猴桃中與花青素合成有關(guān)的關(guān)鍵酶沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)張，而在類(lèi)黃酮合成路徑中，與葡萄和甜橙相比，獼猴桃中的查爾酮異構(gòu)酶（chalcone isomerase）、黃烷酮3-脫氫酶（flavanone 3-hydroxylase）和類(lèi)黃酮3-O-脫氫酶3個(gè)基因家族發(fā)生了擴(kuò)張，暗示這3個(gè)基因家族與獼猴桃花青素的合成密切相關(guān)[6]。

3.3與維生素C積累相關(guān)的基因

維生素C，也稱(chēng)L-抗壞血酸（L-ascorbic acid，AsA），其含量是衡量果實(shí)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一，特別是棗、獼猴桃和柑橘類(lèi)均以果實(shí)富含維生素C而著稱(chēng)，并得到消費(fèi)者的廣泛喜愛(ài)。維生素C積累機(jī)制的研究也一直是果樹(shù)科研工作者努力的方向。

Xu等分析了甜橙果實(shí)中AsA上游的4個(gè)合成分支途徑的關(guān)鍵酶基因，半乳糖醛酸代謝途徑的許多基因都發(fā)生了上調(diào)。特別是半乳糖醛酸酯分支途徑的3個(gè)關(guān)鍵酶基因（PG、PME和GalUR）發(fā)生了明顯的上調(diào)，其中編碼D-半乳糖醛酸還原酶的基因（GalUR）是這一代謝途徑的限速酶基因。同時(shí)在柑橘基因組中鑒定出18個(gè)GalUR同源基因，是已測(cè)序植物中最多的。進(jìn)一步對(duì)薔薇類(lèi)Malvidae clade家族部?jī)?nèi)關(guān)系較近的4個(gè)樹(shù)種（柑橘、可可、番木瓜和擬南芥）進(jìn)行進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)在甜橙內(nèi)表現(xiàn)擴(kuò)張的GalUR基因分成2個(gè)簇，一簇包括4個(gè)基因，另一簇有7個(gè)基因，并且可能是串聯(lián)復(fù)制，這2個(gè)基因簇在維生素C含量較高的番木瓜中也表現(xiàn)出了擴(kuò)張。[WTBX][STBX]GalUR-12[WTBZ][STBZ]與草莓中的GalUR基因序列有著高度的相似性和較近的進(jìn)化關(guān)系，并且已經(jīng)證實(shí)該基因與產(chǎn)生特異的維生素C有關(guān)。所有證據(jù)表明甜橙果實(shí)中半乳糖醛酸酯途徑的基因發(fā)生了高度的擴(kuò)張，并且GalUR基因在AsA積累過(guò)程中發(fā)揮最大的作用[7]。

在獼猴桃中，雖然合成維生素C的主要途徑（L-半乳糖途徑）的基因沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)張，但是與抗環(huán)血酸合成有關(guān)的其他基因家族出現(xiàn)了擴(kuò)張，如Alase（aldonolactonase）、APX（L-ascorbate peroxidase）、MIOX（myo-inositol oxygenase）和維生素C再生途徑中的MDHAR（monohydroascorbate reductase）基[JP3]因家族等?？赡苁怯捎讷J猴桃基因組發(fā)生近代的2次WGD事件過(guò)程中導(dǎo)致產(chǎn)生了促進(jìn)維生素C積累的其他基因家族[6]。[JP]

棗果同時(shí)具有甜橙和獼猴桃2種積累維生素C的分子機(jī)制，即一方面通過(guò)L-半乳糖合成AsA的途徑得到大幅度加強(qiáng)（類(lèi)似甜橙），另一方面AsA再生途徑中的關(guān)鍵基因家族MDHAR出現(xiàn)極顯著擴(kuò)張（類(lèi)似獼猴桃）。Liu等分析了AsA的4個(gè)合成路徑和1個(gè)再循環(huán)利用途徑中的關(guān)鍵酶基因，發(fā)現(xiàn)GDP-D-甘露糖3，5差向異構(gòu)酶和GDP-L-半乳糖磷酸化酶（L-半乳糖途徑的2個(gè)關(guān)鍵酶）和再循環(huán)利用途徑中的關(guān)鍵酶（monodehydroascorbate reductase，MDHAR）表現(xiàn)為持續(xù)升高的表達(dá)水平[9]。

與其他6個(gè)薔薇目基因組水平的比較，在棗果實(shí)中 GDP-L-半乳糖磷酸化酶是正向選擇基因，而MDHAR表現(xiàn)為顯著的擴(kuò)張。7個(gè)薔薇目樹(shù)種（包括棗）與1個(gè)富含AsA甜橙間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的研究結(jié)果表明，有5個(gè)主要的MDHAR基因亞家族，亞家族Ⅳ和Ⅴ是棗和薔薇類(lèi)特有的。在沒(méi)有經(jīng)歷近代的WGD事件的物種如草莓、桃、梅、桑椹、棗和甜橙中的基因組中只有1個(gè)MDHAR拷貝（亞家族Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ），而在經(jīng)歷了近代WGD事件的蘋(píng)果和梨中卻有2個(gè)或更多的拷貝[9]。

3.4糖代謝相關(guān)的基因

果實(shí)的糖代謝對(duì)果實(shí)風(fēng)味和色澤的形成以及其他營(yíng)養(yǎng)成分的代謝具有重要影響，是決定果實(shí)品質(zhì)和商品價(jià)值的主要因素。葉片同化的光合產(chǎn)物是果實(shí)糖積累的主要來(lái)源。蘋(píng)果、梨等薔薇科果樹(shù)，葉片光合產(chǎn)物以山梨醇為主要形態(tài)，而非薔薇科植物以蔗糖為主。

蘋(píng)果、梨和草莓中，山梨醇代謝途徑相關(guān)的山梨醇轉(zhuǎn)運(yùn)酶（SOT）、山梨醇脫氫酶（SDH）和山梨醇-6-磷酸脫氫酶（S6PDH）3個(gè)基因家族的基因數(shù)目多于非薔薇類(lèi)植物。[WTBX][STBX]S6PDH、SDH和SOT[WTBZ][STBZ]基因家族在蘋(píng)果和梨中發(fā)生了擴(kuò)張，這3個(gè)基因家族都屬于蘋(píng)果亞科的特有分支[11]。盡管蘋(píng)果和梨親緣關(guān)系很近，但[WTBX][STBX]S6PDH[WTBZ][STBZ]基因數(shù)目上的差異還是很大的，梨中有4個(gè)[WTBX][STBX]S6PDH[WTBZ][STBZ]成員，而蘋(píng)果有11個(gè)。梨中的4個(gè)[WTBX][STBX]S6PDH[WTBZ][STBZ]基因分成2簇，分別在5號(hào)和2號(hào)染色體上，而蘋(píng)果中只有位于10號(hào)染色體上的一個(gè)基因簇，其他成員分布于不同的染色體上，表明[WTBX][STBX]S6PDH[WTBZ][STBZ]基因在蘋(píng)果中的擴(kuò)張和梨中的收縮可能發(fā)生在從共同祖先分化之后。梨中共15個(gè)SDH基因，來(lái)源相同，集中成簇分布在1號(hào)和7號(hào)染色體上。在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上交叉成對(duì)，說(shuō)明SDH基因是經(jīng)WGD事件進(jìn)行擴(kuò)張的。而在蘋(píng)果中的15個(gè)SDH分布較分散，且是不同的基因起源，暗示可能是有潛在的轉(zhuǎn)換事件發(fā)生。梨和蘋(píng)果中都存在樹(shù)種特異的SOT基因，也說(shuō)明在從共同的薔薇類(lèi)祖先分化后，SOT基因繼續(xù)擴(kuò)張。

非薔薇類(lèi)的棗果實(shí)發(fā)育前期，果實(shí)中的主要糖類(lèi)是果糖和葡萄糖，成熟期的棗果中蔗糖和總糖含量在增加，以蔗糖為主。棗中注釋到393個(gè)與淀粉和蔗糖代謝相關(guān)、98個(gè)與半乳糖代謝有關(guān)、67個(gè)與果糖和甘露糖代謝有關(guān)、195個(gè)與氨基糖和核苷酸糖代謝有關(guān)的基因。與其他已測(cè)序的薔薇科果樹(shù)相比，這些基因家族在棗中都有一定程度上的擴(kuò)張[9]。

3.5解除休眠的基因

梅、杏、桃、櫻桃等李屬（Prunus）果樹(shù)是春季開(kāi)花較早的果樹(shù)種類(lèi)。Zhang等探索了與梅花在低溫下打破休眠并開(kāi)花的分子機(jī)制，共鑒定出6個(gè)與休眠相關(guān)的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子DAM基因，在基因組中呈串聯(lián)重復(fù)分布。梅中這6個(gè)DAM基因是源自一系列復(fù)制事件產(chǎn)生的，順序是[WTBX][STBX]PmDAM1、PmDAM3、PmDAM2、PmDAM5、PmDAM4和PmDAM6[WTBZ][STBZ]，DAM基因的這種分子進(jìn)化模式是李屬植物特有的，在桃中也存在，但在蘋(píng)果和草莓中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些串聯(lián)基因[5]，可能與桃、梅、杏、櫻桃等李屬植物春季開(kāi)花早于其他大多種類(lèi)的果樹(shù)有關(guān)。

DAM基因受C-repeat-binding transcription factors（CBF）轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。在桃和果梅中[WTBX][STBX]DAM4-DAM6[WTBZ][STBZ]轉(zhuǎn)錄起始端上游1 000 bp區(qū)域有保守的CBF轉(zhuǎn)錄因子位點(diǎn)。在梅中，鑒定出13個(gè)CBF同源基因和7個(gè)CBF調(diào)節(jié)子、LEA蛋白。在DAM基因的上游，梅中有比桃更多的[WTBX][STBX]DAM4、DAM5和DAM6[WTBZ][STBZ]的CBF結(jié)合位點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)3個(gè)新的位點(diǎn)，1個(gè)在[WTBX][STBX]DAM1[WTBZ][STBZ]的上游，2個(gè)在[WTBX][STBX]DAM6[WTBZ][STBZ]的上游。因此推測(cè)DAM基因和過(guò)多的CBF結(jié)合位點(diǎn)是梅花提早解除休眠的關(guān)鍵因子，使得梅對(duì)低溫非常敏感，從而導(dǎo)致梅花在早春開(kāi)花[5]。

3.6自交不親和基因

自交不親和性一直是果樹(shù)分子遺傳生物學(xué)的研究熱點(diǎn)之一，根據(jù)花粉不親和表型的不同遺傳方式，植物拒絕自體花粉的再生障礙分為孢子體自交不親和（sporophytic self-incompatibility，SSI）和配子體自交不親和（gametophytic self-incompatibility，GSI）[14]。薔薇科多種果樹(shù)如梨、蘋(píng)果、甜櫻桃、杏、果梅、李和扁桃等表現(xiàn)出配子體型自交不親和性，由S位點(diǎn)復(fù)等位基因控制，包括2個(gè)連鎖基因：一個(gè)是在雌蕊組織中特異表達(dá)的S-RNase基因；一個(gè)是花粉中特異表達(dá)的SFB（S-haplotype-specific F-box）基因[15-16]。梨基因組研究結(jié)果表明，在S-基因座預(yù)測(cè)到6個(gè)SFB候選基因，并且呈現(xiàn)串聯(lián)重復(fù)形式，不同于在蘋(píng)果和草莓中的隨機(jī)分布。另外發(fā)現(xiàn)梨與蘋(píng)果在S-基因座上都有高度重復(fù)序列，而草莓基因組中沒(méi)有，重復(fù)序列在GSI中的功能還有待于進(jìn)一步研究[11]。

3.7果實(shí)成熟相關(guān)的基因

果實(shí)成熟過(guò)程是果實(shí)發(fā)育的重要生物學(xué)特征，有著重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在番茄中有16個(gè)與果實(shí)成熟相關(guān)的基因，而在柑橘中僅檢測(cè)到其中的3個(gè)：ETR（或NR）、[WTBX][STBX]MADS-RIN和BP0353（或PHYF[WTBZ][STBZ]），可能與呼吸躍變型（番茄）和非呼吸躍變型（柑橘）2種不同的成熟機(jī)制有關(guān)。尤其是在草莓和番茄果實(shí)正常發(fā)育成熟過(guò)程所必需的MADS-RIN基因，在柑橘果實(shí)發(fā)育中出現(xiàn)了顯著的上調(diào)，再次證實(shí)了MADS-RIN是2種呼吸類(lèi)型果實(shí)成熟的關(guān)鍵調(diào)節(jié)子[7]。

3.8抗病基因

抗病性是所有果樹(shù)植物都關(guān)注的重要性狀，因此在全基因組解析中也對(duì)抗病性相關(guān)的基因進(jìn)行了重點(diǎn)分析。參與植物抗病性的基因主要是R基因，其編碼的蛋白具有極高的結(jié)構(gòu)相似性，如亮氨酸拉鏈（leucine zipper，LZ）、核苷酸結(jié)合位點(diǎn)（nucleotide binding site，NBS）、跨膜區(qū)域（transmembrane domain，TM）、富含亮氨酸重復(fù)（leucine-rich repeats，LRR），以及與果蠅Toll蛋白及哺乳動(dòng)物白細(xì)胞介素-1受體（toll and interleukin-1 receptor，TIR）的細(xì)胞外相似區(qū)域等。NBS-LRR基因是植物R基因中分布最廣和數(shù)量最大的1個(gè)基因家族。在它們編碼蛋白的近N端處存在NBS，而在近C端則存在LRR；而且不同的基因N端還可能包括1個(gè)或多個(gè)下列2種保守結(jié)構(gòu)：卷曲螺旋（coiled coi1，CC）基序和TIR基序[17]。

在已測(cè)序的果樹(shù)植物研究中主要分析了R基因的9個(gè)類(lèi)型：CC-NBS-LRR、CC-NBS、leucine-rich repeat receptor-like kinase（LRR-RLK）、NBS-LRR、NBS、TIR-CC-NBS-LRR、TIR-CC-NBS、TIR-NBS-LRR和TIR-NBS。其中數(shù)量最多的R基因是LRR-RLK、NBS-LRR和TIR-NBS-LRR 3個(gè)類(lèi)型，而TIR-CC-NBS類(lèi)型占比最少，多數(shù)物種中數(shù)量是0[5，9]。

由表3看出，在棗與其他11種測(cè)序果樹(shù)基因組NBS-R基因的比較分析中，指出LRR-RLK類(lèi)型的R基因在每一種果樹(shù)R基因中的數(shù)量均是最高，而與梅中的研究結(jié)果不同，占據(jù)數(shù)量最多的是NBS-LRR或TIR-NBS-LRR；并且對(duì)相同果樹(shù)基因組鑒定出的幾種R基因的數(shù)量也不同，如蘋(píng)果基因組在與梅相比時(shí)，鑒定出972個(gè)R基因[5]，在與梨比較時(shí)鑒定出1 312（992+320）個(gè)[11]，而在與棗相比時(shí)，共鑒定出 1 511 個(gè)R基因[9]，可能是與參考的標(biāo)準(zhǔn)序列有關(guān)。

盡管不同研究給出的R基因數(shù)目有所差異，但物種間橫向比較的結(jié)果表明，基因組較大的果樹(shù)植物如蘋(píng)果基因組中的R基因數(shù)目總是相對(duì)最高的1個(gè)樹(shù)種，而基因組較小的草莓中R基因的數(shù)目是最少的。

另外，已有研究指出梨與蘋(píng)果中R基因的數(shù)目有雙重差異。梨中有396個(gè)NBS類(lèi)R基因，占蘋(píng)果（992個(gè)）的399%，并且梨中CC-NBS-LRR基因在數(shù)量上超過(guò)TIR-NBS-LRRs類(lèi)型，而蘋(píng)果則相反。除了NBS基因，梨基因組中有403個(gè)LRR-kinase基因和11個(gè)其他的CC-LRR-Kinase基因，高于蘋(píng)果中的320個(gè)[11]。

獼猴桃基因組中有261個(gè)RLK-LRR，多于葡萄中的232個(gè)，與梅中的253個(gè)相近[6]。梅中的253個(gè)LRR-RLK分為19個(gè)基因亞族，其中LRR-Ⅺ和LRR-Ⅻ亞家族呈現(xiàn)顯著擴(kuò)張，類(lèi)似的擴(kuò)張也出現(xiàn)在可可和擬南芥基因組。另外，除了R基因，梅花基因組中還存在很多PR基因家族，尤其是[WTBX][STBX]PR10[WTBZ][STBZ]基因家族顯著擴(kuò)張，并且串聯(lián)分布，[WTBX][STBX]PR10[WTBZ][STBZ]的主要成員串聯(lián)形成1個(gè)小于100 kb的基因簇，而在其他薔薇科植物中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該基因簇。[WTBX][STBX]PR10[WTBZ][STBZ]基因簇可能與梅花的耐鹽、耐旱以及抵抗真菌等抗逆性相關(guān)[5]。

在已測(cè)序的11個(gè)物種中，棗中CC-NBS-LRR類(lèi)基因是最豐富的。849個(gè)R基因中有115個(gè)CC-NBS-LRR類(lèi)基因。17%的棗R基因有1個(gè)核苷酸結(jié)合配體結(jié)構(gòu)（APAF-1、R-蛋白和CRD-4結(jié)構(gòu)域），是正選擇基因，是棗抗病性進(jìn)化的重要基礎(chǔ)[9]。

果樹(shù)中R基因的進(jìn)化分析結(jié)果表明其有一個(gè)共同特點(diǎn)，即R基因在染色體上不是隨機(jī)分布，而是以串聯(lián)重復(fù)形式排列，并且是集中到某一或幾條染色體上。梨中超過(guò)30%的R基因是成簇分布的，主要在2、5和11號(hào)染色體上[11]，有1/3的獼猴桃R基因是集中分布在10個(gè)簇內(nèi)。棗有16%（140個(gè)）R基因分布在9號(hào)染色體上，表明抗性基因的進(jìn)化可能與其他植物一樣，是串聯(lián)重復(fù)和分化的[6]。

4果樹(shù)全基因組測(cè)序結(jié)果的應(yīng)用與展望

雖然果樹(shù)植物基因組的測(cè)序和組裝面臨較大的困難，但從已完成全基因組測(cè)序的14種果樹(shù)的分析結(jié)果來(lái)看，基因組組裝的結(jié)果質(zhì)量均較高。通過(guò)進(jìn)一步的生物信息學(xué)分析揭示出該物種起源和控制果實(shí)性狀有關(guān)基因的重要基礎(chǔ)信息。全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，為世界果樹(shù)基因組學(xué)的研究奠定了重要的信息基礎(chǔ)，可為今后其他果樹(shù)種類(lèi)的測(cè)序研究提供直接的序列數(shù)據(jù)參考，為同源物種或近緣物種重要性狀相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)、克隆、功能驗(yàn)證和進(jìn)化分析方面的研究提供極大的便利。

4.1有利于進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和關(guān)鍵調(diào)控基因挖掘

全基因組序列信息資源的獲得，一是可以方便進(jìn)行同源或近緣果樹(shù)種類(lèi)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序研究，可對(duì)不同品種類(lèi)型、不同組織、不同發(fā)育階段、不同栽培措施處理的材料進(jìn)行基因表達(dá)分析，從而可篩選控制重要性狀的關(guān)鍵候選基因。Shi等以發(fā)表的桃基因組為參考，對(duì)果梅雌蕊敗育相關(guān)基因進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，初步篩選出與果梅雌蕊發(fā)育相關(guān)的36個(gè)基因[18]。二是通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析還可進(jìn)一步提供大量的SSRs和SNP等分子標(biāo)記，這些序列信息、表達(dá)情況以及分子標(biāo)記將有助于通過(guò)遺傳圖譜進(jìn)行果樹(shù)的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀QTL定位，并開(kāi)發(fā)與優(yōu)異性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記，應(yīng)于用果樹(shù)分子標(biāo)記輔助育種。Wang等參考桃基因組的8個(gè)scaffold，成功構(gòu)建了甜櫻桃的高密度遺傳圖譜，并將與樹(shù)干直徑相關(guān)的基因定位到3個(gè)連鎖群的4個(gè)位點(diǎn)[19]，為下一步候選基因的篩選、克隆、鑒定奠定了基礎(chǔ)?？梢?jiàn)，全基因組序列信息資源的獲得，將會(huì)大大加快同種或近緣果樹(shù)種類(lèi)的分子育種進(jìn)程。

4.2有利于進(jìn)行比較基因組學(xué)研究

多個(gè)近緣物種基因組信息的獲得，利于在比較基因組學(xué)進(jìn)行更全面、更深入的研究。通過(guò)深入比較分析2種植物基因組序列的共線(xiàn)性關(guān)系，分析研究植物的起源和進(jìn)化關(guān)系，同時(shí)探索控制植物重要性狀的重要染色體片段或基因群，也可為重要基因的發(fā)現(xiàn)及克隆提供重要參考信息。Illa等通過(guò)比較薔薇科的基因組，構(gòu)建出薔薇科家族祖先的假想基因組，并指出小的染色體倒位的發(fā)生是薔薇科進(jìn)化或薔薇科內(nèi)蘋(píng)果屬和李屬分化的重要起因[20]。

4.3基因組的3D結(jié)構(gòu)將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)

線(xiàn)性DNA信息的獲得已經(jīng)是基因組研究的重大進(jìn)展，但是僅有基因組序列信息還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能揭示基因的精準(zhǔn)調(diào)控和異常表達(dá)現(xiàn)象。隨著研究的不斷深入和全基因組序列圖譜的完成，對(duì)基因組結(jié)構(gòu)、功能的研究將愈加廣闊和深入。隨著2009年Hi-C技術(shù)的提出和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科研人員已開(kāi)始關(guān)注基因組的三維結(jié)構(gòu)。目前在人類(lèi)基因組與疾病關(guān)系的研究方面，已有突出的進(jìn)展。Tang等利用先進(jìn)的3D基因組作圖策略、3D基因組仿真和超分辨率顯微鏡，探究了細(xì)胞核中的3D基因組結(jié)構(gòu)及其與基因表達(dá)和疾病的關(guān)系，并第一次鑒別出了染色質(zhì)蛋白CTCF和cohesin介導(dǎo)的人類(lèi)基因組高階和詳細(xì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[21]。細(xì)胞核內(nèi)基因組的3D結(jié)構(gòu)影響著基因的表達(dá)和DNA復(fù)制[22-23]。隨著基因組3D結(jié)構(gòu)研究技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)和發(fā)展，果樹(shù)植物基因組的3D結(jié)構(gòu)研究也將有望迅速開(kāi)展起來(lái)。

隨著測(cè)序技術(shù)、生物信息學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展和各種生物學(xué)新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，果樹(shù)基因組學(xué)研究將會(huì)得到更快更好的發(fā)展，果樹(shù)全基因組及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也將逐漸被一一解析，基因組學(xué)的發(fā)展必將會(huì)解決傳統(tǒng)育種方法中存在的盲目性，有望實(shí)現(xiàn)通過(guò)最有效、最快速的方法獲得定點(diǎn)改良和多種優(yōu)良性狀聚合的最優(yōu)果樹(shù)品種類(lèi)型。

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