艾德思：我们能吃到好吃的巴旦木仅仅是因为一个基因的点突变

扁桃仁 ,又称巴旦杏仁,也有俗称薄壳杏仁,是巴旦木的果实.美国 加州 是全球最大的巴旦 木供应地,全球超过80%的巴旦木产自加州,在中国产地则主要集中在 新疆 .扁桃仁是驰名世界的干果,味道香美,营养丰富,含有丰富的微量营养元素,有利于降低血压/减少心血管疾病/促进糖类代谢等.

不过, 最早的野生扁桃仁并不好吃,不但苦还有剧毒 ,因为野生扁桃仁中积累了味苦且有毒的氰基二葡萄糖苷苦杏仁苷.随着扁桃的驯化,甜核基因型被人类选择出来,但是 什么机制导致了扁桃仁由苦变甜却不为人知 .

2019年6月14日,西班牙/丹麦/意大利等国的研究人员在顶尖学术期刊 Science 杂志发表了题为: Mutation of a bHLH transcription factor allowed almond domestication 的研究文章.

研究人员对扁桃(Prunus dulcis)基因组进行测序,他们分析了负责味道转变的基因组区域,发现 一个转录因子(bHLH)的点突变使有毒化合物的生物合成途径中P450单氧合酶的产生受到抑制,从而使扁桃仁变甜.

该研究报道了扁桃参考基因组的草图,利用序列信息分析了甜核与苦核基因型间的遗传差异,研究结果为研究杏树的开花时间/耐旱性和抗病性等农艺性状提供了一个新的视角.

此外,该研究鉴定了一个与甜味相关的46kb长度的基因簇,该区域编码五种基本的螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子:bHLH1到bHLH5.

更为关键的是,该研究证明了bHLH2参与调控P450单加氧酶编码基因PdCYP79D16和PdCYP71AN24的转录,这两个基因参与苦杏仁苷生物合成途径. bHLH2的二聚体结构域中的非同义点突变(Leu至Phe)阻止了两种细胞色素P450基因的转录,从而产生甜仁性状.

研究人员首先利用PacBio的长读长测序和Illumina的短读长测序技术对甜纯合杏仁品种Lauranne进行了测序.通过利用PacBio的长读长序列来组装基因组,并利用Illumina的短读长序列来填补缺口和搭建支架.最终组装构成4078个支架,N50为21.8 Mb(其中N50是覆盖50％基因组所需的最小重叠群长度)和L90为306(其中L90 是最小数量的重叠群,其长度总和占基因组大小的90％).通过结合扁桃及其近亲桃(Prunus persica)的RNA测序结果和转录本数据,他们预计扁桃基因组覆盖27,817个基因.

随后,研究人员开始寻找扁桃仁的甜仁基因座.他们利用与此基因座连锁的Sk连锁切割的扩增多态性序列(CAPS)和SSR标记,对475个F1代个体进行基因型分型,最终定义了118kb的区域,包含11个基因与,这一区域内包含了一个与甜味相关的46 kb区域.此区域包含5个基因,包括5个编码基本螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子的基因,分别命名为bHLH1到bHLH5.

之后研究人员研究了这些bHLH基因控制杏仁苦杏仁苷积累的能力,通过RNA-seq实验证明,甜杏仁和苦杏仁基因型中,杏仁苷生物合成基因PdCYP79D16和PdCYP71AN24的转录水平显著不同.

通过对甜(Sk/Sk)和苦基因型S3067(Sk/Sk)被膜组织的RT-PCR分析,他们发现了bHLH1/bHLH2和bHLH4的表达没有差异,但未检测到bHLH3和bHLH5的表达.通过对一个与Sk位点相关的20kb基因组区域的扫描,他们发现苦味基因组的杂合度高于甜味基因组.随后,在比较bHLH1/bHLH2和bHLH4的序列时,他们发现,甜扁桃品种的bHLH1带有导致截短蛋白的插入缺失,bHLH2带有替换和插入,导致非同义的 Leu346→Phe (L346F) 取代和Asn412插入到甜味基因型中,而bHLH4不存在多态性.

总的来说,该研究报道了扁桃参考基因组的草图,利用序列信息分析了甜核与苦核基因型间的遗传差异,鉴定了一个与甜味相关的46kb长度的基因簇,该区域编码五种基本的螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子:bHLH1到bHLH5,并证明了bHLH2点突变(Leu346→Phe(L346F))通过抑制P450单加氧酶编码基因PdCYP79D16和PdCYP71AN24的转录,阻止了两种细胞色素P450基因的转录,从而产生甜仁性状。

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