Plant Com | 助力南瓜功能基因组研究和遗传改良-北京大学现代农业研究院完成中国南瓜高质量参考基因组及突变体文库构建

中国南瓜（Cucurbita moschata），原产于墨西哥及中美洲地区。它于16世纪初明代时期传入中国，主要经由东南亚传入福建、浙江等沿海省份，随后逐渐向北方及内陆地区扩散。经过在中国长期的栽培与驯化，该物种形成了丰富的地方品种。因从南方传入，故而被广泛称作 “南瓜”。 1936年，我国著名园艺学家、浙江大学教授吴耕民在其著作《蔬菜园艺学》中，正式将Cucurbita moschata命名为中国南瓜，用以区别于印度南瓜（Cucurbita maxima，原产于南美洲阿根廷、乌拉圭）和美洲南瓜（Cucurbita pepo，原产于墨西哥东北部、美国南部），凸显其在中国独特的演化分化与选育历史。近日，北京大学现代农业研究院张兴平联合韩国釜山国立大学朴泳训团队在中国南瓜研究领域取得重要突破，成功完成奶油南瓜自交系PKUMo（Cucurbita moschata）端粒到端粒（T2T）无间隙基因组组装，并用该团队在西瓜上创制的诱变花粉的方法（Molecular Plant,Aug 1;15(8):1268-1284. https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.06.010.）在这个基因组上构建了大规模 EMS 突变体文库，为南瓜属作物的功能基因组研究和分子育种奠定了坚实基础，相关成果以“Telomere-to-telomere genome and mutant library empower functional genomics and genetic improvement in Cucurbita moschata”发表在Plant Communications。

研究团队以优异农艺性状的奶油南瓜自交系 PKUMo 为材料，整合牛津纳米孔超高精度长读长测序和 Hi-C 技术，完成了首个中国南瓜T2T无间隙基因组组装，基因组大小为314.34 Mb，挂载到20条染色体上，组装连续性和完整性显著优于此前发表的基因组。注释得到28,594个蛋白编码基因，其中95.06%完成功能注释。基因组分析发现，40.58%的序列为转座元件，其中Copia和Gypsy类LTR反转录转座子在最近27万年发生显著扩增，且着丝粒区域的LTR转座子插入时间更晚，显示出活跃的进化特征（图1）。

中国南瓜PKUMo与其近缘种南瓜（Cucurbita maxima）HZAU品系的比较基因组分析揭示，二者存在大量结构变异，包括27.20 Mb的倒位和9.50 Mb的易位，主要分布在着丝粒周围区域，且两个种着丝粒重复序列组成差异显著，这可能是导致这两个种间杂交一代不育的重要原因 （图2）。

为推进功能基因挖掘，团队优化了南瓜花粉EMS诱变技术体系，构建了包含 60,000粒M1种子和800个M2家系的突变体文库，其中15.5%的家系表现出可见的表型变异，涵盖株型、叶形、叶色、花型、果形等多个性状，且多数变异为首次在南瓜中发现。全基因组测序显示，M1和M2代平均突变密度分别达15.96和19.46个SNP/Mb，预测1200个突变体即可实现基因组基因的功能饱和突变（图3）。

利用该T2T基因组和突变体文库，研究团队成功定位了黄化叶突变体m15的候选基因Cmos16G0077000（图4）和微型瓜矮化突变体mSq的候选基因 Cmos14G0126400（图5），均为单碱基突变导致的提前终止，并开发了对应的KASP分子标记，实现了目标性状的精准分型。此外，团队还搭建了南瓜综合资源数据库 PumpkinDB (http://omicsplant.cn/Cucurbitamoschata/)，整合了基因组、转录组、突变体表型等多组学数据，为科研人员提供资源下载和信息查询服务。

该研究首次完成中国南瓜的T2T基因组组装，构建的大规模突变体文库和多组学数据库，不仅为南瓜属作物的基因功能解析提供了核心工具，也为解决种间杂交不育、挖掘优异农艺性状基因、加速南瓜分子育种进程提供了重要的理论和实践支撑，对提升南瓜产业的遗传改良效率具有重要意义。

北京大学现代农业研究院育种助理李娟、科研助理陈增辉、副研究员李奎博士为共同第一作者，韩国釜山国立大学朴泳训教授、北京大学现代农业研究院何航、邓云和张兴平研究员为共同通讯作者，科研助理谭景胜、孙静参与了相关研究工作，邓兴旺院士为该研究提供了指导。

北京大学现代农业研究院作物育种与种质创新团队用印度南瓜和中国南瓜远缘杂交选育的南瓜新品种“虎斑”，其出众的颜值和甜糯的口感深受消费者喜爱。