与番茄风味有关化学成分及其遗传基础的挖掘
发布时间:2017-09-22         浏览人次:         发布人:市场部

中文名:与番茄风味有关化学成分及其遗传基础的挖掘
英文名:A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor
发表单位:中国农科院深圳基因组所
杂志:Science,2017
影响因子:37.205
阅读人:刘轩
摘要:
现代番茄品种的风味与传统品种相比是有所下降的。为了弥补这个不足,本研究对398份现代番茄品种,传统番茄品种以及野生番茄品种的化学成分进行了定量分析,同时确定哪些化学物质与风味及消费者偏好性相关。通过分析作者发现现代番茄品种相对于传统品种,有一些重要成分的含量是显著下降的,并且利用GWAS分析找到了调控这些重要化学物质的基因位点,包括糖份,酸以及一些挥发物。这些结果首先为现代番茄品种风味变差的原因提供了一些证据,同时对于风味相关的分子育种研究提供了必要的信息。
研究背景:
番茄在全世界范围内都是非常重要的蔬菜,然而相对于传统的番茄品种,现代的品种的风味是有所退化的。为了解决这个问题,本研究对番茄风味相关的化学物质及遗传基础进行了系统地研究。食物的风味主要是由口感和嗅觉相互作用及影响共同产生的,是非常复杂及主观的性状。对于番茄来讲,糖和酸主要刺激味觉器官,挥发性化合物主要影响嗅觉器官,尤其是挥发性化合物对风味的影响是很必要的。举个例子,移除特定的类胡萝卜素衍生的挥发物就会显著导致消费好感度地下降。冷藏也是通过改变挥发性物质而非糖和酸来改变消费者的喜好。
研究结果
本研究的主体思路是两步走,一是确定与风味相关的化合物并对其定量;二是利用重测序,将SNP与化合物进行关联分析(代谢组mGWAS),找到调控化合物的相关基因位点。
1.与风味相关化合物的确定及定量
利用涵盖了101个不同品系的160份材料进行消费者喜好及风味的评估,同时利用GC-MS技术靶向检测糖份,酸及挥发性物质,进行线性最小二乘回归分析,进行代谢物与消费者喜好及风味的相关性分析,加之双尾P值进行显著性检验(P<0.05)。
结果表明,有33种化学物质与消费者喜好相关,有37种化学物质与风味相关,二者的交集有28种,这些化学物质为GWAS提供了表型数据。而与风味相关的挥发性化合物中,有13种在现代品种中是显著下降的,如下图所示,暗示挥发性物质的稀释导致了现代品种风味下降,因此如果在现代品种中导入调控挥发性物质合成的优势等位基因,则可对风味进行改良,因此,下一步是找到调控挥发性物质相关的重要基因。

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图1 现代番茄品种与传统品种相比,显著下降的挥发性物质(星号标出)
2.代谢组GWAS分析:
为了鉴定调控风味相关化合物的基因位点,本部分研究对398份番茄现代品种,传统品种以及野生品种及其近缘种进行全基因组重测序,并对这些品种的成熟果实中的挥发性物质,可溶性物质,葡萄糖,果糖,柠檬酸及苹果酸等代谢产物进行定量,如下图所示:

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图2 番茄群体用于GWAS分析的表型数据统计
重测序并进行质控(MAF>5%,缺失率<10%)后,共得到2014488个SNP位点用于GWAS分析,利用的是EMMAX方法进行分析,模型中以前10个主成分作为固定效应,两两之间的遗传距离作为随机效应。通过GWAS分析,共找到与20个性状相关联的251个显著的区域。

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图3 苹果酸GWAS分析结果展示

3.F2群体QTL定位
本研究同时利用小果,风味佳的Maglia Rosa Cherry line和大果,风味较差的现代培育品种FLA 8059杂交得到的197株F2分离群体进行了GBS简化基因组测序,同时也对这些样本进行了相关化合物的测定,进行连锁分析QTL定位。

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图4 甲硫基丙醛连锁分析结果
除此之外,也进行了另外一份自然群体共352份材料的GWAS分析,该群体包括262个与398份材料重合的个体,找到了与前两种分析中共同得到的一些位点。
4.糖分含量与果实大小呈负相关
GWAS分析得到与葡萄糖及果糖显著相关的两个位点分别位于Chr9及Chr11,这两个位点均在以前报道中位于驯化相关的选择信号中,这些选择信号指向了果实变大这个性状。同时在F2群体中进行了这两个性状的连锁分析,同样定位到9号染色体的位点。而且在现在代品种中,绝大部分(48份中有47份)在这两个位点中表现出纯合的参考基因位点(RR),统计了一下不同基因型的含糖量,如下图E表示,发现RR型的含糖量最低。而且分析了果实大小与含糖性状的相关性,发现二者呈负相关(下图F)。本研究进一步对GWAS及连锁分析中都显著的9号染色体的位点Lin5SNP进行分析,发现这个突变导致了氨基酸的转变(Asn到Asp),通过过表达参考基因型及突变型,发现过表达突变型显著产生了更多的糖分,说明Lin5位点的功能性。总的来说,果实大小与含糖量呈负相关,因此在进行人工驯化将果实选育大的同时,降低了糖分的含量。

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图5 果实大小与含糖量的关系 A GWAS分析含糖量性状结果;B 连锁分析含糖量性状结果;C和D 番茄驯化分析找到的与果实大小相关的选择信号;E 两个重要位点组合基因型的含糖量分析;F 果实大小与含糖量性状的相关性分析;G 过表达实验结果

结论
传统的番茄育种包括人工选择主要是集中在番茄的果实大小,糖酸含量等,在基因组上是受到强列选择的基因区域,在现代品种中呈现纯合的优势基因型分布,而本研究通过GWAS找到的与挥发性化合物相关的位点中,只有约50%(26中有13个)的是优势基因型,可以说是非常随机的,而且糖含量在前面也有说到与果实大小是呈负相关的,对糖分的选择会影响果实大小性状,因此可以通过对挥发性物质的分子育种工作来改良番茄的风味,本研究得到的相关位点正是为番茄风味改良提供了良好的分子基础。
创新点及启示
1、代谢组巧妙地解决了风味这一复杂性状的表型问题
风味是非常复杂又主观的性状,很难进行表型测量,本研究利用代谢组将风味转换成糖,酸,挥发性物质来进行功能基因挖掘,构思很巧妙。代谢组GWAS并不是新的概念,不过利用代谢产物来分析风味是创新之处。
2、 多个群体进行交互验证及过表达试验验证
本研究在三个群体中进行基因定位及交互验证,比较可靠,同时结合之前的选择驯化分析的结果,把不同的表型的位点及表型与表型之间的相关关系进行整合分析,一是结果更加可靠,二是总体上可以挖掘一些新的点。
同时,进行了番茄的过表达验证,从遗传水平上验证了基因的功能。


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