柑橘果实不同组织层发生橙色突变的基因组基础

Fruit color novelty, brightness and uniqueness can improve visual attractiveness and market competitivity. Orange-peel and orange-flesh mutants of citrus grandis 'Guanxi' are typically featured citrus varieties which are originated from spontaneous mutations. Both of them are somatic mutants derived from the same wild type, but accumulate massive β-carotene in different tissues. One shows peel-specific mutational pattern, while the other mutant is flesh-specific. Little is known about this kind of tissue-specific pattern of spontaneous mutation. This study will employ genome-guided somatic mutation detection tools to pinpoint the mutational region(s); utilize genome wide association analysis and genetic mapping strategy to narrow down the genetic loci controlling orange color trait in peel and flesh; perform functional characterization of the candidate genes and investigate the regulatory mechanism of key gene by protein-protein and protein-DNA experiments. This study will elucidate the mechanisms behind the tissue-specific mutations. The outcome will deepen the understanding of color mutations in different tissue layers in citrus fruits; meanwhile provide the characterized key genes or pathways for genetic improvement of citrus fruit color.

色泽新颖、鲜艳和独特能够增强果实的视觉吸引力及市场竞争力。琯溪蜜柚果皮橙色 （orange-peel）和果肉橙色（orange-flesh）突变体是田间自然发生的极具特色的色泽突变材料。两者系来源于同一野生型的体细胞突变体，均大量积累β-胡萝卜素，但一种突变体是果皮突变，而另一种突变体则仅仅是果肉突变。目前对这种自发性的组织特异突变机制还知之甚少。本项目拟利用基因组导向的体细胞突变位点检测工具挖掘突变区域；通过全基因组关联分析和遗传定位剖析控制果皮和果肉橙色性状的遗传位点；筛选控制橙色性状的关键基因并进行功能分析；对获得表型的基因进一步利用蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA互作技术解析其调控机理，阐明柑橘果实不同组织层发生橙色突变的机理。本研究将进一步深化对柑果类果实色泽变异的认识，在理论上具有创新性；另一方面获得的色泽调控基因和途径将为柑橘果实色泽改良提供依据。

本项目以突变体红肉琯溪蜜柚、橙肉琯溪蜜柚及橙皮琯溪蜜柚等为材料开展色泽变异机制的研究。以收集的白肉琯溪蜜柚及其突变体红肉琯溪蜜柚为材料进行全基因组重测序，基于生物信息学分析，挖掘到5个差异SNP位点，其中一个SNP位点验证为阳性，且该SNP位点为琯溪蜜柚红肉突变体的汁胞层所特有；使用BWA软件分别将红肉蜜柚和白肉蜜柚、黄肉蜜柚和白肉蜜柚的测序数据比对到柚参考基因组上，SAMtools软件进行基因分型，确定了红肉蜜柚和白肉蜜柚、黄肉蜜柚和白肉蜜柚间差异的SNP位点，并最终开发出了酶切扩增多态性序列（CAPS）分子标记。通过对橙肉琯溪蜜柚进行基因表达量分析、DNA变异探究、转录调控及转录水平研究，提出了琯溪蜜柚橙肉突变机制假设模型：橙肉琯溪蜜柚突变体经历光胁迫的非生物逆境后，为响应该逆境，突变体中与信号转导相关基因的发生DNA甲基化修饰等一系列变化。同时，通过对橙皮琯溪蜜柚突变体的转录组分析，筛选得到10个候选基因，推测or020和Cs160与类胡萝卜素合成基因之间可能存在互作或者共同的调控因子，Cs191是参与脯氨酸代谢的脯氨酸脱氢酶，Cs130可能是抗病蛋白，其余6个候选基因的功能尚未注释；橙皮琯溪蜜柚×晚白柚杂交杂交群体BSA（bulked segregant analysis）获得候选基因22个，橙皮琯溪蜜柚×坪山柚杂交杂交群体杂种F1代分离比推测橙肉橙皮突变体可能为野生型的隐性纯合突变体，即杂交模型为aabb × AaBb，且候选基因可能位于9号染色体。已发表SCI论文9篇，1篇中文核心期刊，另申请专利1项。四年来培养了5名博士，7名硕士。项目主持人 2016 年入选国家万人计划科技创新领军人才，2018年获中国园艺学会华耐园艺奖（序1），2019年获教育部（高等学校科学研究优秀成果奖）自然科学奖一等奖（序1），2019年获批国家杰出青年科学基金。