近日，北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室张兴平团队和何航团队合作在Molecular Plant杂志在线发表了题为“A telomere-to-telomere gap-free reference genome of watermelon and its mutation library provide important resources for gene discovery and breeding”的研究论文，报道了小果型西瓜自交系G42 （图1） 的端粒到端粒 (T2T) 无缺口高质量基因组图谱，并利用花粉诱变的方法构建了G42的EMS饱和突变体库，为解析西瓜基因功能和育种提供了宝贵的资源。美国农业部蔬菜实验室资深瓜类遗传学家Amnon Levi博士高度评价了该项工作：This an amazing work and most major contribution to watermelon genomics. Having male sterility is a great accomplishment.
西瓜 （Citrullus lanatus） 属葫芦科西瓜属，原产于非洲，是世界第三大水果作物，具有重要的经济价值。中国是世界上最大的西瓜生产与消费国，2020年种植面积为152.8万公顷，产量达6200万吨，占全球种植面积的60%以上。西瓜基础研究相对比较薄弱，2019年以来3个参考基因组的相继发布，推动了西瓜基因组学研究。然而，现有参考基因组存在的大量缺口（gap），加上西瓜育种长期定向选择所导致的狭窄遗传基础，严重制约着西瓜基因组学研究和遗传改良。
研究团队首先利用PacBio HiFi和ONT数据，结合多种组装策略，完成了T2T-G42基因组图谱，并通过BioNano和PCR-Free等数据对组装结果进行校正验证。该研究组装的G42参考基因组总长度为369,321,829 bp，11条染色体的长度位于 27,658,079-38,239,948 bp之间。预测蛋白编码基因24,205个，解析了全部端粒和着丝粒序列信息 （图1） ，填补了97103v2参考基因组所有的220个缺口。这是葫芦科作物上首次报道端粒到端粒(T2T)无缺口参考基因组。
图1 西瓜自交系G42果实（左）以及G42与97103v2基因组的共线性比较（右）
研究团队还首次成功将玉米花粉EMS诱变技术应用到瓜类作物上，克服了种子诱变处理突变体率低和坐果困难问题。利用花粉EMS诱变技术构建了G42遗传背景的西瓜EMS突变体库，获得了20多万粒M1种子。为鉴定突变体库的表型变异情况，对6126个M1单株和507个M2家系进行了系统的表型评价，分别鉴定到223个M1和78个M2表型变异突变体，并通过遗传分析确认了48个单基因表型突变，包括株型、叶形、雄性不育、早衰、黄化、瓜瓤颜色等突变体 （图2） 。通过随机选取20个 M1和 12个 M2 单株进行重测序，分析突变位点，发现M1单株的平均突变密度为1 SNP/1.69 Mb 和 1 indel/4.55 Mb, M2单株为1 SNP/1.08 Mb 和 1 indel/6.25 Mb （图2） 。利用97103v2和T2T- G42基因组分别作为参考基因组预测突变位点发现，T2T- G42参考基因组极大地减少了突变位点检测的假阳性率。
图2 突变体表型（左）以及突变位点在染色体上的分布和密度（右）
基于T2T- G42参考基因组和相同背景的突变体库，研究团队利用重测序数据快速鉴定了2个显性突变体 （长果和雄性不育） ，发现均由典型的EMS诱变碱基突变类型G＞A导致的。显性雄性不育基因 (ClMS1) 为首次在西瓜上报道 （图3） 。
图3 西瓜显性雄性不育突变体的鉴定
为促进西瓜功能基因组研究以及突变体库的广泛应用，研究团队还建立了西瓜基因组和突变体库数据库WaGMDB（http://www.watermelondb.cn） （图4） 。该数据库提供了T2T- G42基因组信息及部分生物信息分析工具、突变体库部分表型变异和基因变异信息等。该数据库将面向国内外从事西瓜研究的科研人员提供突变体信息。
图4 西瓜基因组和突变体库数据库WaGMDB
北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室邓云研究员和刘守成助理研究员，北京大学现代农学院博士生张宜林为论文共同第一作者，张兴平研究员和何航研究员为论文共同通讯作者。江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所孙玉东研究员参与了相关研究，北京大学现代农业研究院邓兴旺院士、徐云碧研究员为该研究提供了指导。研究得到山东省科技创新计划、宁夏回族自治区农业育种专项、江苏省种业振兴揭榜挂帅、宁波市重大科技任务攻关和潍坊市种业创新团队等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.06.010
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