苹果属植物基因拷贝数变异揭示驯化过程中的遗传分化与适应性进化机制

本研究通过全基因组测序分析116份苹果属资源，系统解析了拷贝数变异(CNVs)和片段重复(SDs)在苹果驯化过程中的作用。研究人员发现M. domestica与野生祖先种M. sieversii之间存在700个防御相关基因的CNV差异，并鉴定出3000个砧木与接穗品种分化的木质素代谢通路基因。该研究为理解苹果性状改良的分子基础提供了新视角，对果树育种具有重要指导意义。论文发表于《BMC Genomics》。

　　

苹果作为全球最重要的温带水果之一，其驯化历史可追溯至4000-10000年前的中亚天山山脉。现代栽培苹果(Malus domestica)主要起源于中亚野苹果(M. sieversii)，并在传播过程中与欧洲野苹果(M. sylvestris)发生了基因渗入。虽然基于单核苷酸多态性(SNP)的研究已初步揭示了苹果的驯化历史，但占基因组变异更大比重的结构变异(Structural Variations, SVs)，特别是基因拷贝数变异(Copy Number Variations, CNVs)在苹果驯化和适应性进化中的作用仍不清楚。CNVs作为重要的遗传变异形式，可通过改变基因剂量影响表型变异，在植物环境适应和人工选择过程中扮演关键角色。

为解决这一科学问题，中国农业科学院果树研究所的研究人员联合国际团队，对116份涵盖24个苹果属物种的资源进行了全基因组CNVs分析，其中包括34份栽培苹果、29份M. sieversii和10份M. sylvestris。研究采用mrCaNaVaR算法基于读深(Read Depth, RD)进行CNV检测，结合群体遗传学和功能富集分析方法，系统解析了CNVs在苹果驯化和适应性进化中的作用。相关成果发表在《BMC Genomics》杂志。

研究主要运用了全基因组重测序技术获取12.2×覆盖度的序列数据，通过mrsFAST比对和mrCaNaVaR算法进行CNV检测和整数拷贝数估算。采用层次聚类、多维标度分析(MDS)和STRUCTURE软件分析群体遗传结构，计算V_ST值评估群体间CNV分化程度，并利用agriGO进行基因功能富集分析。

研究结果部分，"CNV detection"显示全基因组共检测到约46,000个基因的CNV变异，同一物种不同个体间平均存在7,000个基因的CN差异，而不同物种间差异基因达20,000个。片段重复(SDs)分析表明，每个个体平均有1,700-2,100个SDs，覆盖10%的苹果基因组，其中包含多个与果实发育相关的MADS-box基因和山梨醇代谢基因。

"Segmental deletion and duplication maps"部分揭示染色体7和15是SDs热点区域，其中染色体15的SDs尤其富含M. florentina基因型的特有变异。基因内容分析发现SDs区域富集了山梨醇脱氢酶、山梨醇转运蛋白和ALMT(铝激活苹果酸转运蛋白)等与果实品质相关基因的多拷贝。

"CNV-based population genetic properties of Malus"通过聚类分析将116份资源分为两大组：栽培苹果及其野生祖先种组成的驯化相关组，以及其他野生种组成的野生组。值得注意的是，部分标注为野生种的资源经核实实为栽培品种，反映了种质资源鉴定中存在的问题。结构分析(K=4)显示北美野生种形成了独立分支，而中国新疆的M. sieversii与哈萨克斯坦群体存在明显分化。

"Species-specific divergent gene copy numbers"部分鉴定出700个在M. domestica和M. sieversii间显著分化的基因(V_ST>0.26)，主要富集于防御反应通路。栽培苹果中β-半乳糖苷酶(β-Gal)、脂氧合酶(LOX)和1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶(ACO)等果实成熟相关基因呈现更高拷贝数。砧木与接穗品种比较发现3,000个分化基因(V_ST>0.28)，其中漆酶和肉桂醇脱氢酶(CAD)等木质素合成基因在砧木中拷贝数更高。

讨论部分指出，该研究首次在全基因组尺度揭示了CNVs在苹果驯化中的重要作用。栽培苹果中果实品质相关基因的拷贝数增加反映了人工选择的方向，而野生资源中NB-ARC结构域抗病基因的拷贝数扩张则体现了自然选择压力。研究提出的"SDs作为基因拷贝数变异来源"的模型为理解苹果基因组进化提供了新视角。特别值得注意的是，砧木特异的木质素代谢基因CNV模式可能与其抗逆性相关，这一发现为砧木育种提供了分子靶点。

该研究构建了迄今最全面的苹果CNV图谱，不仅完善了苹果驯化历史的认知，也为分子标记辅助育种提供了宝贵资源。发现的CNV标记可用于区分栽培品种与野生资源，鉴定品种真实性，指导杂交亲本选配。研究揭示的果实品质和抗性相关CNVs为苹果品质改良和抗性育种提供了直接靶点，对推动苹果产业可持续发展具有重要意义。