Aufklärung der Prunus-Evolution und Verbesserung der Zuchtstrategien

Die Sauerkirsche (Prunus cerasus L.) ist eine geschätzte Frucht der gemäßigten Klimazonen, die für ihren ausgeprägten süß-sauren Geschmack und ihre außergewöhnliche Verarbeitungsqualität bekannt ist. Sie gehört zur wirtschaftlich wichtigen Familie der Rosaceae und hat eine gemeinsame Abstammungslinie mit verschiedenen Prunus-Arten wie Pfirsich, Süßkirsche und Mandel.

Angesichts der weit verbreiteten Hybridisierung und Polyploidie war es historisch gesehen eine Herausforderung, die evolutionäre Reise von Prunus zu verfolgen. Studien haben gezeigt, dass Sauerkirsche allotetraploid ist (2n = 4x = 32), ein Ergebnis einer Hybridisierung zwischen Prunus fruticosa Pall. und Prunus avium L. Darüber hinaus stellen klimatische Herausforderungen wie frühe Frühlingsfröste eine erhebliche Bedrohung für die Obstindustrie der gemäßigten Zonen dar und verursachen massive Ernteverluste.

Um dieses Problem anzugehen, zielt das Sauerkirschen-Zuchtprogramm der Michigan State University darauf ab, die genetische Kontrolle der Blütezeit zu verstehen. Das Fehlen einer öffentlichen Sauerkirschen-Genomsequenz hat diese Studien jedoch auf traditionelle Verknüpfungskarten und Markermethoden beschränkt. Daher ist die Entwicklung einer Genomressource für Sauerkirschen von entscheidender Bedeutung, um Züchtungsbemühungen zu unterstützen, die Entdeckung von Genen zu ermöglichen und die genetischen Grundlagen agronomischer Merkmale in diesem komplexen Tetraploiden zu verstehen.

Im Mai 2023, Gartenbauforschung veröffentlicht Eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Das Genom der tetraploiden Sauerkirsche (Prunus cerasus L.) ‚Montmorency‘ identifiziert drei verschiedene Prunus-Vorfahrengenome.“

Die Forscher setzten zunächst das Genom der Sauerkirsche „Montmorency“ mithilfe einer Kombination aus PacBio- und Illumina-Sequenzierung zusammen, ergänzt durch die Erfassung der Chromosomenkonformation (Hi-C). Obwohl sie aufgrund der allotetraploiden Natur der Kirsche zwei vollständige Haplotypen erwarteten, entdeckten sie 24 Verknüpfungsgruppen. Acht davon deuteten auf eine Herkunft vom P. avium-ähnlichen Vorfahren hin.

Weitere Analysen, einschließlich k-mer-Clustering, trennten diese Chromosomen in drei verschiedene Sätze mit den Namen A, A‘ und B, die verschiedene Subgenome darstellen, die von verschiedenen Prunus-Arten stammen. Eine Untersuchung der Illumina-Messungen ergab, dass Subgenom B im Vergleich zu A oder A‘ die doppelte Genomdosis aufwies, was die „Montmorency“-Genomstruktur als AA‘BB bestätigte.

Zur strukturellen Annotation des Genraums sagten die Forscher mithilfe von RNA-Sequenzierung und lang gelesenen cDNA-Datensätzen aus dem „Montmorency“-Gewebe 92.783 proteinkodierende Gene voraus. Bei einer weiteren Analyse mittels Defusion fanden sie 906 potenziell fusionierte Gene in der Gesamtanordnung, von denen 707 in der Gerüstanordnung vorhanden waren.

Anschließend wurden 4.481 Genomregionen auf Gerüstkomponenten mithilfe von MAKER im Rahmen der Defusion lokal neu markiert, und 9.777 entschärfte Genmodelle, die durch eine weitere Pfam-Domänensuche erhalten wurden, wurden ebenfalls erneut zur endgültigen Annotation hinzugefügt. Die annotierten Gene wiesen hohe BUSCO-Vervollständigungswerte auf und zeigten eine AED-Verteilung, die auf eine qualitativ hochwertige Annotation schließen lässt.

Für Prunus fruticosa, einen wahrscheinlichen Allotetraploiden, wurde ein Genomentwurf mithilfe von PacBio- und Illumina-Reads zusammengestellt. Die Analyse ergab, dass es sich bei P. fruticosa ebenfalls um einen Allotetraploiden handelt, dessen Ansammlung häufige Probleme im Zusammenhang mit polyploiden Ansammlungen aufweist. Seine Anmerkung sagte 102.361 proteinkodierende Gene voraus. Die Vorläuferzuordnung ergab, dass die „Montmorency“-Subgenome A und A‘ P. fruticosa-ähnlich waren, während Subgenom B P. avium-ähnlich war.

Darüber hinaus wurden die Dormancy-Associated MADS-Box-Gene (DAMs), die für die Ruhephase und das Blühen von Prunus essentiell sind, in „Montmorency“ und P. fruticosa analysiert. Mithilfe von BLAST+ und manuellen Anpassungen über Apollo v 2.6.5 identifizierten Forscher drei vollständige DAM1–DAM6-Haplotypen in „Montmorency“.

Eines davon, DAM6 auf chr1A‘, hatte eine einzigartige Intron-Exon-Struktur. P. fruticosa wies zwei Contigs mit vollständigen DAM-Haplotypen auf, die denen in „Montmorency“ entsprachen. Darüber hinaus wurden in „Montmorency“ vier S-Allele entdeckt, die mit der Selbstinkompatibilität von Prunus in Zusammenhang stehen und eine Sequenzähnlichkeit von über 99 % mit früheren Studien aufweisen.

P. fruticosa zeigte ein S-Allel, das P. cerasus S36b ähnelt, was darauf hindeutet, dass „Montmorency“-Sauerkirschen ihr S36 von einem P. fruticosa-Vorfahren ableiteten. Die Forschung zeigte auch, dass sich P. cerasus „Montmorency“ aus einem Hybridisierungsereignis vor weniger als 1,61 Millionen Jahren entwickelte.

Zusammenfassend präsentiert diese Studie eine detaillierte Genomanordnung im Chromosomenmaßstab für die vorherrschende US-Sauerkirschsorte „Montmorency“, die ihre trigenomische Zusammensetzung von AA’BB enthüllt. Darüber hinaus wurde das Genom von P. fruticosa, einem wichtigen Vorfahren, zusammengestellt und zusammen mit einer P. avium-Sequenz verwendet.

Wichtige Gensätze, einschließlich der Dormancy-Associated MADS-Box-Gene (DAMs) und Selbstinkompatibilitäts-S-Allele, wurden annotiert. Diese Forschung bereichert unser Verständnis der Prunus-Evolution und bietet entscheidende Erkenntnisse für die Züchtung und vergleichende Genomik, verspricht Fortschritte im Sauerkirschanbau und geht auf Probleme wie einen geringen Fruchtansatz ein.