壳斗科植物基因组进化与花果实发育的分子机制研究：基于米槠和锥栗的染色体水平基因组解析

本研究针对壳斗科(Fagaceae)热带-亚热带属种基因组数据匮乏的现状，通过PacBio和Hi-C技术完成米槠(Castanopsis carlesii)和锥栗(Castanea henryi)染色体水平基因组组装（大小分别为927.24 Mb和780.10 Mb），揭示二者仅经历古代全基因组三倍化事件(y事件)。研究发现MADS-box基因调控花苞片和壳斗发育，蔗糖-淀粉代谢基因在果实发育中发挥分化作用，NLR抗病基因家族扩张反映环境适应机制，为壳斗科物种演化及经济性状改良提供重要理论依据。

　　

壳斗科植物作为北半球森林生态系统的重要组成，包含橡树、栗树等具有重要生态和经济价值的树种。尽管橡树属(Quercus)已有较多基因组研究，但热带-亚热带的栲属(Castanopsis)和栗属(Castanea)基因组资源仍显不足。这类植物独特的壳斗结构和富含淀粉的果实具有重要演化意义，但其发育机制和抗病基因家族进化规律尚不明确。

福建农林大学的研究团队通过整合PacBio长读长测序、Illumina短读长和Hi-C技术，首次获得米槠和锥栗染色体水平基因组，并开展比较基因组与功能基因分析。研究发现二者基因组分别包含45.79%和44.88%的重复序列，LTR逆转座子在近600万年内持续活跃扩张。通过28个物种的系统发育分析，确定栲属与栗属分化时间为4830万年前，且二者仅经历被子植物共有的古代全基因组三倍化事件(y事件)，未发生独立的多倍化事件。

研究采用的主要技术包括：PacBio Sequel平台进行20 kb文库测序、Hi-C染色体构象捕获技术辅助组装、OrthoFinder进行基因家族聚类分析、RNA-seq解析花器官和果实发育不同阶段的基因表达模式，以及qPCR验证关键代谢通路基因表达。

【基因组特征与进化】
比较基因组分析显示米槠和锥栗分别含有31,623和37,973个蛋白编码基因，BUSCO完整性达93.8%和93.0%。Ks分析表明二者与桃树(Prunus persica)共享古代全基因组复制事件。染色体共线性分析揭示栗属、栲属与蒙古栲(Quercus mongolica)高度保守，但与欧洲水青冈(Fagus sylvatica)存在显著结构变异。

【花发育调控机制】
鉴定出69个米槠MADS-box基因，发现AGL11亚家族在壳斗科中特异性扩张。表达分析显示B类基因CcAP3/CcTM6在雄蕊高表达，C类基因CcSHP可能协同AG参与心皮发育。值得注意的是，E类基因CcSEP1/4在苞片中高表达，暗示壳斗可能起源于苞片的形态变异。雌花中退化雄蕊的存在支持B类基因CcPI在雌花早期表达的生物学意义。

【果实发育代谢调控】
将米槠果实发育分为7个阶段(Fr1-Fr7)，发现蔗糖含量在Fr2-Fr3阶段骤降时，蔗糖降解酶基因CcSUS3和CcFRK1.1/2显著上调；淀粉合成关键基因CcAGPS1和CcGBSS1在Fr3-Fr5持续高表达，与淀粉含量变化正相关。Fr7阶段淀粉降解基因CcAMY3和CcBAM6表达上调，呈现蔗糖-淀粉代谢的"此消彼长"动态平衡。

【NLR抗病基因进化】
在12个壳斗科物种中发现NLR基因数量存在显著差异(215-1040个)，其中CNL、TNL和NL类型扩张最显著。系统发育分析显示高NLR数量的欧洲栗(Ca. mollissima)和欧洲栎(Q. robur)在分支I和IV中占主导，表明抗病基因扩张与地域性病原压力相关。

该研究不仅为亚洲壳斗科植物提供了高质量的基因组资源，更揭示了三个重要科学发现：1) 壳斗发育可能通过MADS-box基因的共选择机制起源于苞片；2) 蔗糖-淀粉代谢基因的时序表达模式决定坚果品质形成；3) NLR基因家族的趋同扩张反映壳斗科植物对环境压力的协同适应策略。这些发现发表于《Molecular Horticulture》，为壳斗科植物的演化生物学研究和经济性状分子育种奠定了理论基础。