亚洲梨与欧洲梨基因组解析：自交不亲和作物的遗传分化与果实性状调控机制

一、研究团队与发表信息
本研究由南京农业大学园艺学院Wu Jun团队领衔，联合北京大学现代农业研究院、北京市农林科学院等多家单位合作完成，于2025年8月发表于Nature Genetics（Volume 57, Pages 2040–2051），标题为《单倍型解析的无间隙基因组组装揭示亚洲梨与欧洲梨的遗传分化》。

二、学术背景
梨（Pyrus spp.）作为典型的自交不亲和（self-incompatibility, SI）作物，具有高度杂合的基因组特征。此前发布的梨参考基因组（如2013年亚洲梨“砀山酥梨”和2014年欧洲梨“巴特利特”）因技术限制存在大量组装缺口，且混合单倍型的 Consensus 序列阻碍了等位基因变异的系统性研究。本研究旨在通过构建端粒到端粒（telomere-to-telomere, T2T）的单倍型解析基因组，解析亚洲梨（P. bretschneideri “砀山酥梨”）与欧洲梨（P. communis “红巴特利特”）的遗传分化机制，并挖掘与果实品质相关的结构变异（structural variations, SVs）和等位基因特异性表达（allele-specific expression, ASE）。

三、研究流程与方法
1. 基因组组装与注释
- 样本选择：以亚洲梨“砀山酥梨”（DS）和欧洲梨“红巴特利特”（MRB）为代表，分别采集其组织样本（幼茎、成熟叶、花粉、果实等）。
- 测序技术：结合PacBio HiFi长读长、Oxford Nanopore（ONT）超长读长（100 kb）和Hi-C数据，采用Hifiasm、Verkko和Hicanu软件进行单倍型分型组装，填补缺口和端粒区域。
- 质量评估：通过BUSCO（98.9%完整性）、LTR组装指数（≥21.38）和Hi-C互作热图验证组装准确性。最终每个单倍型形成17条染色体，基因组大小497.50–505.55 Mb，Contig N50≥28.96 Mb。
- 基因注释：预测42,675–43,602个蛋白质编码基因，发现新组装区域包含577–804个功能基因（如细胞分裂调控蛋白CDC48和糖代谢关键酶UFGT7）。

1. 单倍型特异性基因与ASE分析

   • 基因分类：通过直系同源比对，将基因分为双等位基因（biallelic genes，33,710–34,036个）、等位基因同CDS（6,691–8,087个）和单倍型特异性基因（haplotype-specific genes，1,703–1,994个）。
     
   • 表观调控：单倍型特异性基因的转座元件（TEs）含量和DNA甲基化水平显著高于双等位基因（P < 1.57×10⁻⁵），且其表达量更低，可能与甲基化抑制相关。
     
   • ASE模式：在8个果实发育阶段中，19.64%（DS）和26.21%（MRB）基因存在ASE，其中优势单倍型表达（hapdom）占主导（如糖转运蛋白SWEET2和木质素合成酶C3H）。
     

2. 群体进化与驯化分析

   • 样本集：对362份梨种质（137份新测序+225份公开数据）进行重测序，构建基于图的泛基因组（graph-based genome）。
     
   • 系统发育：SNP和SV分析将梨分为两大分支：亚洲梨（含野生种、栽培种和杂交种）和欧洲梨（含*P. communis*和野生欧洲梨）。
     
   • 驯化选择：在亚洲栽培梨中鉴定21.31 Mb的选择清除区域，包含果实酸度（*ma1*）、大小（*fw2.2*）和石细胞含量（*pbrmir397a*）相关基因。
     

3. 结构变异与农艺性状关联

   • SV鉴定：通过GWAS发现66-bp缺失与果实横径（FTD）显著相关（P = 3.70×10⁻⁹），该缺失位于*PyTPR*（调控植物发育的TPR蛋白）下游，缺失型个体*PyTPR*表达量降低81.85%。
     
   • 乙烯合成通路：在欧洲梨中鉴定到*PyACS1*启动子区286-bp插入，包含G-box和E-box顺式元件，通过转录因子PybHLH94激活表达，导致果实后熟软化（转基因番茄验证）。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. 单倍型差异驱动表型分化：单倍型特异性基因的甲基化抑制和TEs积累可能通过降低表达量影响适应性；ASE模式（如hapdom）揭示了等位基因优势表达对果实糖酸代谢的调控作用。
2. 杂交与驯化历史：基因流分析表明，亚洲栽培梨*P. ussuriensis*的驯化过程中存在*P. bretschneideri*的基因渗入，提高了遗传多样性。
3. SV的功能验证：286-bp插入通过增强*PyACS1*表达促进乙烯合成，解释了欧洲梨采后软化的分子机制。

五、研究意义与价值
1. 科学价值：首次提供梨T2T单倍型基因组，填补了自交不亲和作物等位基因研究的空白；揭示了结构变异通过顺式调控影响性状的分子路径。
2. 应用价值：*PyACS1*启动子插入可作为欧洲梨软化性状的分子标记；*pbrmir397a*和*PybZIP48*为石细胞育种提供新靶点。

六、研究亮点
1. 技术创新：结合HiFi、ONT和Hi-C数据的多软件组装策略，实现复杂基因组单倍型解析。
2. 发现新颖性：首次报道梨中286-bp插入通过*PybHLH94*激活乙烯合成的跨物种保守机制。
3. 跨学科整合：将群体遗传学（SV-GWAS）、表观遗传学（甲基化）和功能基因组学（转基因验证）多维度结合。

七、其他价值
本研究构建的graph-based genome为后续梨泛基因组研究提供框架，并公开了所有基因组数据（DOI: 10.1038/s41588-025-02273-4），助力梨分子设计育种。