de.wedoany.com-Bericht: Ein Forscherteam unter der Leitung von Zhang Shengping vom Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften hat eine neue Studie in Nature Genetics veröffentlicht. Sie erstellten das bisher größte und qualitativ hochwertigste Chromosomen-Pan-Genom der Gurke (Cucumis sativus) und deckten systematisch die entscheidende Rolle von Strukturvarianten bei der geografischen Anpassung und Merkmalsevolution der Gurke auf. Durch die Integration von 133 Gurkenkeimplasma-Ressourcen identifizierte das Team über 135.000 hochzuverlässige Strukturvarianten, klonierte erstmals das im Referenzgenom bereits rezessiv verlorene Schorfresistenzgen CsCcu und das durch seltene Varianten regulierte Fruchtlängen-Gen CsSPL1 und stellte damit systematische genomische Werkzeuge für die molekulare Züchtung von Gurken bereit.
Das Forschungsteam identifizierte 1960 Genkopienzahlvarianten (gCNV), die signifikant in genomischen Rekombinations-Hotspots angereichert sind. Durch eine Analyse des Populationsdifferenzierungsindex (VST) wurde eine bisher nicht entschlüsselte Tandemduplikationsvariante am Locus des Gurken-Florigen-Gens CsFT entdeckt. Diese Variante ist die kausale Variante, die die Hochregulierung der CsFT-Expression und den frühen Blühphänotyp antreibt, und bietet eine genetische Grundlage für die Ausbreitung der Gurke in höhere Breitengrade.
Die Studie erstellte das Gurken-NLR-Pan-Genom (PanNLRome) und identifizierte insgesamt 8835 NLR-Gene, deren Populationsdiversität hauptsächlich auf allelischen Varianten zwischen Haplotypen beruht. Für das Schorfresistenzgen Ccu führte das Team auf Basis des PanNLRome eine Haplotyp-GWAS-Analyse durch, lokalisierte ein TNL-Gen und verifizierte dessen Krankheitsresistenzfunktion mittels Gen-Editierung. Die Haplotyp-Analyse zeigte, dass nur Hap1 resistent ist, was darauf hindeutet, dass der Pan-Genom-Ansatz den rezessiven Verlust funktioneller Gene in einem einzelnen Referenzgenom kompensieren kann.
Die Studie integrierte 125 neu assemblierte Genome und 8 bereits veröffentlichte Genome und identifizierte insgesamt 135.597 hochzuverlässige, nicht-redundante Strukturvarianten, darunter 71.344 Deletionen, 55.891 Insertionen, 550 Inversionen, 3411 Duplikationen und 4401 Translokationen, mit einer PCR-Verifikationsgenauigkeit von 96,05 %. In der neu assemblierten Wildkeimplasma-Linie CG88 wurde ein bisher nicht beschriebener Karyotyp entdeckt, dessen Chromosomen 4 und 7 jeweils eine große fragmentierte Inversion tragen, die unabhängig durch Hi-C-Daten verifiziert wurde. Populations-eQTL- und Selektionsanalysen zeigten, dass Strukturvarianten eine wichtige regulatorische Rolle bei der Genexpression spielen.
SNP-basierte und SV-basierte GWAS-Analysen für 38 agronomische Merkmale ergaben, dass über 60 % der assoziierten Signale spezifisch für die SV-basierte GWAS waren. Für das Schlüsselmerkmal Fruchtlänge betrug der genetische Beitrag seltener Strukturvarianten bis zu etwa 40 %. Das Team führte Analysen innerhalb geografischer Gruppen durch und entdeckte erfolgreich 34 zuvor maskierte signifikante Loci. Eine seltene LTR-Insertion im ersten Exon des CsSPL1-Gens in der eurasischen Gruppe wurde als positiver Regulator der Fruchtlänge bestätigt. Weitere Analysen zeigten, dass das Muster der Allelfrequenzdifferenzierung von CsSPL1 stark mit der Domestikationsgeschichte der Gurke übereinstimmt und dass unterschiedliche Züchtungsselektionspräferenzen in verschiedenen Regionen zu Haplotyp-Unterschieden führten.
Das Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften ist die erste Einheit dieser Arbeit. Die korrespondierenden Autoren sind Forscher Zhang Shengping, außerordentlicher Forscher Dong Shaoyun und Professor Zhang Zhonghua von der Qingdao Agricultural University. Die Studie wurde durch das Nationale Schlüssellabor für Gemüse-Biologische Züchtung, das Nationale Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramm, das Jugendinnovationsprojekt der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften und das nationale Projekt des Technologie-Systems der modernen Landwirtschaft gefördert.
