Süßorange (Citrus sinensis L.), eine Hybridobstpflanze aus Mandarinen (Citrus reticulata Blanco) und Pummelos [Citrus maxima (Burm.) Merr.]weist aufgrund der alten interspezifischen Hybridisierung eine komplexe genomische Vielfalt auf. Die beste Zusammenstellung des Genoms der Süßorange ist derzeit die doppelt haploide Süßorange (HSO).
Die Sequenzierung des Genoms der diploiden Süßorange ergab nur haploide Assemblies von schlechter Qualität, die kein Referenzniveau des Genoms darstellten. Die Einheitlichkeit süßer Orangensorten macht sie anfällig für Krankheiten wie Huanglongbing (HLB), was die Zitrusproduktion weltweit zu einer Herausforderung macht. Daher besteht ein dringender Bedarf, das Genom auf Chromosomenebene von Süßorangen besser zusammenzusetzen und Gene für HLB-Toleranz zu erforschen, was für den nachhaltigen Anbau und die Zukunft von Süßorangen von entscheidender Bedeutung ist.
Im November 2022, Gartenbauforschung veröffentlichte eine Perspektive mit dem Titel „Ein Phasengenom auf Chromosomenebene, das Studien auf Allelebene in Süßorangen ermöglicht: eine Fallstudie zur Huanglongbing-Toleranz von Zitrusfrüchten.“
Um ein neues Süßorangen-Genom zusammenzustellen, verwendeten die Forscher kontinuierliche lange Lesevorgänge von PacBio, um das DVS-Genom zu entschlüsseln, und erhielten mithilfe von CANU eine 607,6-MB-Assembly mit einer N50-Länge von 15,4 MB. Anschließend wurde ein schrittweiser Assemblierungsansatz angewendet, bei dem 3,9 MB Homozygotie unphasiert blieben.
Die endgültige Zusammenstellung verband Contigs in 18 Pseudochromosomen von 598,6 MB, die in DVS_A- und DVS_B-Chromosomensätze kategorisiert wurden, wodurch homologe Regionen sichtbar wurden, die überwiegend von Mandarin bzw. Pummelo stammen. Die Fehlerquote der Baugruppe war deutlich geringer als bei der zuvor etablierten HSO. Der chromosomale Vergleich von DVS_A und DVS_B mit Pummelo und Mandarinen ergab 97,1 % der Regionen mit Mandarinen-Ursprung in DVS_A und 87,4 % der Regionen mit Pummelo-Ursprung in DVS_B.
Die Nukleotidähnlichkeit zwischen DVS_A und DVS_B betrug 96,2 %, wobei zahlreiche Variationen identifiziert wurden. Die Genannotation von DVS ergab 55.745 proteinkodierende Gene und die höchste BUSCO-Vollständigkeit unter den Zitrusgenomen. Allelische Expressionsmuster (AEPs) wurden mithilfe von RNA-seq-Daten untersucht, und DVS diente als überlegene Referenz mit signifikanten Kartierungsraten. Verschiedene Faktoren, darunter Gewebetyp, Entwicklungsstadium und Krankheit, veränderten insbesondere die AEPs, was die Komplexität der Genexpression in Süßorangen unterstreicht.
Die Forscher nutzten außerdem die Sequenzierung des gesamten Genoms, um die molekularen Mechanismen zu identifizieren, die zur Huanglongbing (HLB)-Toleranz in einem Süßorangen-Mutanten beitragen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Infektionen mit krankheitstolerantem T19 zwar denen von empfindlichem T78 und DVS entsprachen, T19-Bäume jedoch einen höheren Blattflächenindex und ein gesünderes Wachstum aufwiesen.
Die T19-Bäume und ein SF-Exemplar mit verlorenem Tag, von dem bestätigt wurde, dass es genetisch mit T19 identisch ist, zeigten keine somatischen Strukturvariationen (SVs) und hatten drei gemeinsame somatische SVs. Diese Variationen beinhalteten komplexe Translokationen und Insertionen, die sich auf mehrere Gene auswirkten und möglicherweise zur HLB-Toleranz beitrugen. Weitere Untersuchungen zur Allelexpression zeigten eine signifikante Hoch- und Herunterregulierung der Allele in T19 im Vergleich zu DVS und T78.
Es gab eine signifikante Änderung im Expressionsverhältnis von voreingenommenen Allelen und Allelen in DVS, T19 und T78. T19 zeigte einzigartige Hochregulationsmuster in Stressreaktionsgenen, dem mitochondrialen Stoffwechsel und anderen Bereichen, die bei DVS oder T78 nicht beobachtet wurden. Dies wurde durch transkriptomische Profilierung und das Vorhandensein unterschiedlich exprimierter microRNAs in T19 gestützt.
Darüber hinaus verfügte T19 über deutlich mehr hochregulierte Hitzeschockproteine (HSPs), die für die Stresstoleranz von entscheidender Bedeutung sind, sowie über Gene, die an der Reduzierung reaktiver oxidativer Spezies beteiligt sind und von denen bekannt ist, dass sie HLB-Symptome lindern. Die Ergebnisse legen nahe, dass diese transkriptomischen Unterschiede, die wahrscheinlich auf somatische Mutationen zurückzuführen sind, der überlegenen HLB-Toleranz bei T19 zugrunde liegen, vor allem durch verstärkte Stressreaktionen und den Schutz der Homöostase von Phloemproteinen.
Zusammenfassend haben Forscher ein hochpräzises, stufenweise diploides Genom der Valencia-Süßorange zusammengestellt, was beispiellose Studien auf Allelebene in der Zitrusgenetik ermöglicht. Diese genomische Zusammenstellung klärt nicht nur die komplexe Genetik von Süßorangen, sondern verspricht auch, künftige Gentechnik- und Züchtungsprogramme für verbesserte Zitrussorten als Leitfaden zu verwenden.
Mehr Informationen:
Bo Wu et al., Ein phasengesteuertes Genom auf Chromosomenebene, das Studien auf Allelebene in Süßorangen ermöglicht: eine Fallstudie zur Huanglongbing-Toleranz von Zitrusfrüchten, Gartenbauforschung (2022). DOI: 10.1093/hr/uhac247