香蕉基因組學研究20年：成就與挑戰

金志強

摘? 要：香蕉基因組學研究已逾20年，取得了一些進展。本文從全基因組測序、亞基因組分化、基因水平上的染色體結構變異、多倍體背景下的染色體交換及基因組擴張與功能等5個方面，論述了香蕉基因組學研究取得的進展，并對未來基因組學研究的重點方向進行了展望。

關鍵詞：香蕉;基因組學;A基因組;B基因組

中圖分類號：S668.1? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Banana genome has been studied for more than 20 years， and some progress has been made. In this paper， the achievements of banana genomics research were reviewed from five aspects： whole genome sequencing， subgenome differentiation， chromosomal structural variation at genome level， chromosome exchange under polyploid background， genome expansion and function.

Keywords： banana （Musa L.）; genomics; A genome; B genome

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.10.007

基因組學（genomics）是研究基因組（genome）的科學。從分子遺傳學的角度，基因組是指一個生物體或一個細胞器所有DNA分子的總和[1]。基因組學的發展是以1990年10月1日啟動人類基因組計劃（Human Genome Project， HGP）作為起點的，至2000年在全世界科學家的共同努力下，覆蓋大部分基因組的基因組序列草圖繪制完成[2]。同年，在植物中，擬南芥（Arabidopsis thaliana）基因組測序結果[3]即將發表時，全球香大蕉改良組織（A Global Programme for Musa Improvement， ProMusa）的部分科學家，于4月6—8日在法國蒙彼利埃（Montpellier， France）召開學術研討會。與會者認識到，“植物基因組學是一個新興的領域，它有望描述植物的整個基因庫。從植物基因組學的研究中獲得的信息將有助于理解基因是如何使植物作為一個活的有機體發揮其功能的，以及所有植物的功能多樣性是如何與單個基因組的簡單變化相關聯的。植物基因組學最終可能被用來對植物進行基因改造，使其在不同的生物、生態和文化環境中獲得最佳性能，從而造福于人類和環境”。會議接近尾聲時，就香蕉基因組學研究達成了相當程度的共識。各方同意成立一個全球香蕉基因組學聯盟（The Global Musa Genomics Consortium，以下簡稱“聯盟”），共同開啟香蕉基因組測序及相關研究[4]。2001年7月17—20日，“聯盟”在美國弗吉尼亞州阿靈頓（Arlington， USA）的美國國家科學基金會（National Science Foundation， NSF）舉行了第一次會議。出席會議的科學家們對剛破譯的擬南芥基因組、水稻基因組及其他成就感到歡欣鼓舞，他們迫切希望香蕉能成為下一個被破譯的植物基因組[5]。出席這次會議的有來自全球12個國家的科學家。基于法國農業國際合作研究發展中心（Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement， CIRAD），以及國際熱帶農業研究所（International Institute of Tropical Agriculture， IITA）和國際上其他科學家的相關研究基礎，會議在“聯盟”的目標、策略、預期成果、測序的成本測算、成果分享方式、實施戰略、資源分享方式、運作方式等方面達成共識[6]。以“聯盟”成立為時間節點，香蕉基因組學研究至今已有20多年。雖然未能如期成為第三個破譯基因組的植物，但仍然取得一些重要進展，綜述如下。

香蕉（包括大蕉）是世界上最重要的水果之一，在全球糧食作物排行榜上排名第四，是最早被馴化的作物之一，現廣泛分布于熱帶與亞熱帶地區，是數百萬人的主食，對熱帶和亞熱帶發展中國家的糧食和經濟安全具有重大意義[7]。

香蕉為單子葉植物，屬芭蕉科（Musaceae）芭蕉屬（Musa L.）。芭蕉屬植物約有50多個野生種，分為4個組（section）。其中，紅蕉組（Callimusa）和澳蕉組（Australimusa）的植物染色體數目為2n=20（x=10）;真蕉組（Eumusa）和美蕉組（Rhodochlamys）的植物染色體數目為2n=22（x=11）[8]。大多數栽培香蕉都來自真蕉組的兩個野生種，即Musa acuminata（A基因組）和Musa balbisiana（B基因組）。Musa acuminata種內雜交和Musa acuminata與Musa balbisiana的種間雜交導致了這些A-和B-基因組的各種組合，這些基因組分為AA、AAA、AB、AAB、ABB和ABBB共6種類型[9]。還有少數的M. schizocarpa（S基因組，2n=22）（x=11）[10]和Musa textilis（T基因組，2n=20）（x=10）[11]。但絕大多數食用品種是三倍體，其基因組的組成為AAA、AAB和ABB。

1? 繪制了完整的香蕉野生親本的基因組序列草圖

目前市場上90%以上用于鮮食的和進出口的三倍體香蕉品種都屬于三倍體無性系的Cavendish和GrosMichel亞群（subgroup），均起源于Musa acuminata。Cavendish和GrosMichel的出現被認為是Musa acuminata產生不減數配子的部分不育二倍體亞（品）種與產生正常單倍體配子的可育二倍體亞（品）種雜交的結果[12]。在Musa acuminata中，還發現了一些亞種，其中，malaccensis亞種被認為是為三倍體香蕉（AAA）貢獻了其中的1條A染色體[12]，這個樣本采自馬來西亞彭亨州（Pahang），故名‘Pahang，于20世紀40年代后期引入牙買加香蕉理事會基因庫（Banana Board Jamaica Genebank）[13]。香蕉基因組計劃啟動后，率先進行了‘Pahang的基因組測序工作。

1.1? A基因組的序列測定

早在1996年就采用花藥培養的方法獲得了‘Pahang的雙單倍體（doubled haploid，DH）植株（DH-Pahang）[13]。以此為材料進行全基因組測序，可以顯著降低基因組的雜合度，有利于測序后拼接與組裝。從20世紀90年代至21世紀初期，分子標記技術廣泛應用于香蕉種質資源鑒定、遺傳多樣性和系統發育以及基因組組成等方面的研究。例如：擴增片段長度多態性（amplified fragment length polymorphism， AFLP）[14]、限制性片段長度多態性（restriction fragment length polymorphisms， RFLP）[12， 15]、微衛星（microsatellites）[16-19]。多樣性陣列技術（diversity arrays technology， DArT）是一種基于DNA雜交的分子標記技術，可在不需要序列信息的情況下同時檢測多個基因組位點的變異。Risterucci等[20]利用此技術，分析了168個Musa基因型，共鑒定出836個標記并用于基因分型（genotyping），其中10%對A基因組特異，能夠在不同染色體倍性構成的相關性分析中以該基因組部分為靶點。因DArT標記在檢測香蕉種質基因組組成和揭示聚類方面的準確性，被用于構建香蕉基因組的遺傳連鎖圖。DArT和SSR相結合，以M. acuminata中2個遺傳距離較遠的亞種（microcarpa亞種材料‘Borneo為母本，malaccensis亞種材料‘Pisang Lilin為父本）雜交，獲得180個F1后代個體，構建了由SSR和DArT標記組成的親本圖譜[21]。用于DH-Pahang測序的遺傳連鎖圖，就是據此技術繪制的。根據測序DH-Pahang的親本‘Pahang的自交后代，繪制了一張遺傳圖譜。因自交后代自然條件下育性較低，用胚拯救技術[22]盡量減少自交后代個體數量的損失，從而減少潛在的分離偏差。用652個標記（589個SSR和63個DArT）對180個‘Pahang自交后代的基因分型數據作為“異花授粉”群體確定連鎖群。LOD閾值為5.0時，可以識別11個連鎖群中的9個：LG2、LG3和LG5～LG11。通過對等位基因比率和模式的詳細分析以及NJ樹（Neighbor-Joining）分析區分了LG1和LG4。這11個連鎖群就成為DH-Pahang測序組裝后錨定在染色體上的基礎。

采用Sanger測序（20×）和Illumina（50×）測序方法對細菌人工染色體（bacterial artificial chromosome， BAC）文庫（BAC library）進行測序。最先在burmannica亞種的一份來自加爾各答植物園的材料，命名為‘Calcutta 4[23]，構建了BAC library[24]。采取類似的方法，2008年構建了‘Pahang的BAC文庫[25]。用于測序的2個分別由HindIII和BamHI酶切的DH-Pahang的BAC文庫，分別命名為MAMH（Musa acuminata malaccensis HindIII）和MAMB（Musa acuminata malaccensis BamHI）。MAMB含23 040個克隆，平均為140 kb，代表估算基因組的6.2倍。對這個文庫進行BAC-end測序，共產生了2 750萬個Roche/454單端序列（single reads）和210萬個Sanger reads，代表了流式細胞儀估計的DH- Pahang基因組523 Mb大小的20.53× 覆蓋范圍。組裝（assembly）序列包括了24 425個contigs和7 513個scaffolds，總長度472.2 Mb，占預測DH- Pahang基因組大小的90%。組裝序列的90%分布在647個scaffolds中，N50（將序列從長到短排序，將它們的長度相加，長度正好為總長度的50%時的那條序列的長度）為1.3 Mb。組裝序列的70%（332 Mb）錨定在了‘Pahang遺傳圖譜的11個Musa連鎖群上。2012年發布了Musa acuminata的全基因測序結果[26]。完成A基因組測序是香蕉基因組學研究的一個重要里程碑，標志著香蕉基因組學研究取得了重大突破，歷時12年。

2016年，采用新技術又對A基因組的數據進行了修訂。建立了一個5 kb的DH-Pahang mate-pair文庫，并使用Illumina HiSeq 2000以40的基因組覆蓋率對其進行了測序。用模塊化的生物信息學軟件改進基因組序列組裝，進一步完善了Musa acuminata基因組序列草圖。分離群體的基因分型（genotyping by sequencing，GBS）和paired-end測序用于檢測和糾正scaffolds組裝錯誤。用GBS標記將scaffolds錨定在假分子上，避免了遺傳圖譜構建過程中標記排序的繁瑣步驟。此外，構建了1個基因組圖譜，用于將scaffolds組裝成超級scaffolds。最后，將校正過的基因注釋構建了1個新的組裝序列。這種方法將scaffolds總數從7513個減少到1532個（即減少80%），N50從1.3 Mb（65個scaffolds）增加到3.0 Mb（26個scaffolds）。89.5%的組裝序列錨定在11條染色體上，而之前僅70%的組裝序列錨定在染色體上，未知位點（N）由17.3%減少到10.0%[27]，基因組序列質量得到明顯提高。

1.2? B基因組的序列測定

香蕉的生產分為兩大類，一類是甜香蕉或甜點香蕉（sweet banana或dessert banana），也稱鮮食蕉（banana），既供當地消費，又供出口。另一類是烹飪香蕉（cooking banana，ABB），果實通常在食用前先煮、烤或炸，還有一類是大蕉（plantain，AAB）亞群主要為當地消費而生產[28]。全球近40%的香蕉生產涉及A/B種間三倍體品種，占香蕉總產量的18%，主要種植在西非和中/南美洲。在西非和中非，估計約有7000萬人從大蕉中獲取超過四分之一的食物能量需求。鑒于B基因組的重要性，2012年，中國熱帶農業科學院聯合法國CIRAD、華大基因等國內外多家單位，開始了B基因組的測序工作。

野生M. balbisiana為栽培香蕉品種提供了B基因組，目前沒有亞種的報道。所用的測序材料是野生二倍體基因型Pisang Klutuk Wulong（PKW， 2n=2x=22），是一種黑莖的Musa balbisiana，爪哇語中‘Klutuk是種子和烏龍黑（wulung black）的意思。基因庫中的PKW材料是在印度尼西亞收集的[29]。為降低測序的雜合度，按照Grapin等的方法獲得雙單倍體（double haploid PKW， DH-PKW）材料[22]，進行了全基因組測序。由于測序技術的進步，B基因組測序采用PacBio單分子測序（113×）和Illumina測序（166×）的方法，共獲得58.9 Gb的PacBio單分子長reads，86.3 Gb的Illumina pair-end和mate-pair reads用于組裝。獲得492.77 Mb scaffolds，contig N50為1.83 Mb，scaffold N50為5.05 Mb，覆蓋了95%的基因組序列，經評估，其基因組完整性達到91.3%。構建了DH-PKW的高通量染色體構象捕獲（high- throughput chromosome conformation capture， Hi-C）文庫，生成72 Gb（138×）的Hi-C pair-end reads。進行重復消除、分類和質量評價，進行唯一的有效定位，結果將430 Mb（87.27%）和94.0%的基因組，以A基因組為參考序列，定位在11條染色體上。B基因組的測序技術先進性、測序深度、基因組覆蓋度、contig N50、scaffold N50、定位到染色體上的序列長度都顯著高于A基因組。于2019年發布測序結果[30]，被Springer Nature遴選為2019年亮點工作之一，指出“該論文是2019年Springer Nature精選的最受歡迎的論文之一，反映了產生重要影響的頂尖研究”。

2? 香蕉亞基因組的分化

通過對越來越多的基因組數據分析表明，全基因組復制（whole-genome duplications， WGDs）在被子植物基因組進化中起著重要作用[31]。Lescot等人通過來自13個BAC文庫的1.3 Mb的A基因組序列，并與4個先前測序的BAC進行了注釋和分析，推導了與單子葉植物，以及A、B基因組可能的分化時間。首次提出了Musa系譜（Musa lineage）中WGD事件的證據[32]。經過深度測序后發現，A基因組的11條染色體之間存在一種復雜的旁系同源關系（paralogous relationship），發生了兩次WGD（表示為α和β），在α/β復制之前，已經重復了的基因簇（duplicated gene clusters）被初步組裝成代表祖先基因組的12個Musa祖先基因塊（ancestral blocks），包含的重復片段覆蓋222 Mb。根據Ks（同義突變率）在旁系同源基因簇對之間的分布，推導出兩次WGD約發生在65 Mya（million years ago）。12個Musa祖先塊體之間的其他物種的同源關系顯示出更高的Ks值，這表明另外一個更古老的復制事件（表示為γ）發生在大約100 Mya[26]。

與其他單子葉植物相比，香蕉譜系的進化速度相對較慢[33]。基于對519個單拷貝直系同源基因（orthologous genes）的系統發育分析表明，A和B基因組最近的分化時間約為5.4 Mya，它們的共同祖先與禾本科植物的分化時間約為134 Mya。這估計與A和B基因組之間4.6 Mya的分化時間相近。4.6 Mya的分化時間是根據17個BAC克隆（包含23.5 kb的編碼序列）的測序結果估計得出[32]。5.4 Mya比之前估計的20.9 Mya（由3個基因和1個內部轉錄間隔區估計）或27.9 Mya（由19F基因估計）時間更近[34-35]。在全基因組系統發育分析研究中，增加樣本的信息量，將有助于更準確地估計分化時間。

植物經三輪WGD后，緊接著進行基因組二倍化（diploidization）和消減（fractionation），包括染色體重排（chromosomal rearrangement）、基因丟失（gene loss）和偏好保留（biased retention）[36]。在二倍化和消減之后，A和B基因組開始獨立進化，表現出了分化差異。發現了9038個基因家族在A、B基因組、水稻（Oryza sativa）、短柄草（Brachypodium distachyon）和葡萄（Vitis vinifera）中都是保守的。相反，A基因組中的348個基因家族以及B基因組639個基因家族具有特異性。分化后，A基因組中有1761個基因家族擴張，203個基因家族收縮;B基因組中有392個基因家族擴張，1008個基因家族收縮。說明B基因組對基因組的收縮比A基因組更為敏感[30]。通過京都基因與基因組百科全書（Kyoto encyclopedia of genes and genomes， KEGG）對B基因組中顯著擴張的基因家族（P<0.05）的富集途徑分析表明，其富集在光合作用和次生代謝的生物合成，包括與肌醇、淀粉和蔗糖代謝相關的代謝途徑，亞油酸和花生四烯酸等。植物產生的次生代謝產物多樣性高，除了能緩解各種非生物脅迫外，還具有抵御多種食草動物和病原體的顯著功能[37]，與之前B基因組提高對生物和非生物脅迫的耐受性有關的研究結果是一致的[38]。

3? 基因組水平上的染色體結構變異

3.1? A基因組染色體的易位

染色體易位是染色體結構變化的一種主要形式。M. acumicata種內分為6～9個亞種（banksii、burmannica、malaccensis、microcarpa、zebrina、burmannicoides、truncata、siamea和errans），這些亞種在東南亞的陸地區域和島嶼上產生地理隔離后，發生了分化[39-40]。人類的遷徙，導致了這些亞種之間的接觸[41]，出現了亞種間雜種。細胞遺傳學研究表明，在減數分裂時染色體配對在亞種內的二價體中一般是規則的，但在某些多價體和亞種間雜種的單價體是不規則的，因此導致這些亞種間的雜種生育率降低[42-43]。這個結果也說明亞種間的染色體結構變異而導致減數分裂時出現了染色體配對的不規則性。

借助于A基因組測序結果，可以從DNA水平上揭示染色體易位發生。用SNP標記野生M. acuminata亞種burmannicoides中的1份材料‘Calcutta 4[23]的自交后代分離情況，用mate-pair測序序列與malaccensis Pahang[26]參考序列進行比對，研究染色體重排。從123份野生和栽培香蕉材料的全基因組測序數據中，鑒定了染色體結構的特征片段之間的連接。結果在‘Calcutta 4中發現了兩個大的相互易位：一個是2號染色體240 kb遠端區域與8號染色體7.2 Mb遠端區域的互換;另一個涉及到1號染色體20.8 Mb遠端區域與9號染色體11.6 Mb遠端區域的互換。上述兩個大的相互易位可能起源于burmannica亞種基因群[44]。

在另一個亞種M. acuminata ssp. malaccensis，通過mate-pair測序、細菌人工染色體熒光原位雜交技術（bacterial artificial chromosome and fluorescence in situ hybridization technology， BAC- FISH）、靶向PCR和DArT測序（DArT sequencing）標記在其子代中的分離情況，分別從1號染色體遠端3 Mb和4號染色體遠端10 Mb鑒定出1個雜合子相互易位，表明其后代中產生了高度分離偏差（segregation distortion），減少了1號和4號染色體之間的重組和連鎖。結果表明，子代中這兩個染色體結構是相互排斥的，重排的染色體結構優先傳遞到子代。染色體重排在三倍體品種中普遍存在，但僅在野生malaccensis中存在。表明這種重排發生在M. acuminata的malaccensis亞種中。這種重排在香蕉多樣性中的傳播機制可能在三倍體品種的出現中起了作用[45]。其他亞種是否存在另外的易位，還需進一步的研究。

3.2? A、B基因組間染色體的易位與倒位

A與B基因組間大片段結構變異（large structural variations）的第一個證據是根據種間雜交后代染色體分離而提出的[46]。從全基因組水平上，采用共線性（synteny）分析表明A和B基因組之間的基因組共線性和序列相似性很高。在A和B基因組之間鑒定出了72個大的共線性區塊（large syntenic blocks），其中的15個都包含超過900個基因對。這72個共線性區塊占A基因組的75.02%（其中含23%轉座元件）和68.01%的B基因組（含22%轉座元件）。

在A和B基因組分化之后，它們之間發生了兩個大的易位（translocation）和兩個倒位（inversion）。其中一個大的相互易位發生在B基因組1號染色體上的7.09 Mb和A基因組3號染色體上的7.03 Mb。一個倒位發生在B基因組的5號染色體（9.39 Mb）和A基因組的5號染色體上（8.83 Mb）[30]。這些易位和倒位在早前的遺傳圖譜上也有體現[47]，通過共線性比對，更為準確地確定了易位的大小和位置。這種易位和倒位是遺傳多樣性增加的一種方式[48]。

4? 香蕉多倍體中亞基因組染色體的同源交換和替換

多倍體化似乎是植物進化史上的一個常見事件[49]。大多數香蕉品種是多倍體的，具有不同程度的倍性和基因組背景[50]。為了解在多倍體背景下A、B基因組的同源交換，采用重測序的方法對三倍體和二倍體不同倍性，以及不同基因型香蕉進行了重測序。重測序數據與A（Pahang）和B（PKW）基因組同時比對，確定了唯一能定位的reads用于分析覆蓋深度、變異調用和每條染色體上的同源交換。這些分析證實，香蕉種質的基因組組成，在大多數情況下，與以往基于形態特征的基因組分類一致。在粉蕉（ABB）中鑒定了48個同源交換的片段，包括9個從B-到A-亞基因組的交換和39個反向交換。在Kamaramasenge（AAB）中，還發現了4個從B-到A-亞基因組的同源交換片段，并在第10條染色體上A-亞基因組替換了B-亞基因組。在Pelipita（ABB）中，第2、7和11號染色體的A亞基因組被B亞基因組替換，6、9和10號染色體上有18個同源交換片段[30]。之前通過基因組原位雜交的研究結果表明了Pelipita的8A和25B染色體組成，與先前的基因組原位雜交研究一致[51]。說明在多倍體背景下，A、B基因組的同源交換和替換，是構成多倍體香蕉遺傳多樣性的重要方面。

對于三倍體粉蕉A、B亞基因組同源基因在不同組織、果實發育和成熟的不同階段以及非生物脅迫處理后的香蕉幼苗中的表達水平進行分析，在A、B亞基因組間共鑒定出25 717對同源基因。在同源基因對中，81.83%得到了共線性分析的證實。對所有同源基因對的表達進行分析，以確定三倍體粉蕉中B/A表達倍數變化的分布。log2（RPKM B/RPKM A）為1.2/1，其中RPKM（reads per kilobase per million mapped reads）代表每百萬reads中來自于某基因每千堿基長度的reads數，這與2/1的基因組組成值不同。這個結果可以用劑量補償來解釋[52]。選取1075對在A基因組上調表達的同源基因，和4032對在B基因組中上調表達的同源基因進行KEGG富集分析。結果表明，在B基因組中具有表達優勢的基因與2-氧羰基水楊酸代謝和精氨酸生物合成途徑有關（Q<0.05），而在A亞基因組中具有表達優勢的基因在KEGG途徑中沒有顯著富集。利用加權基因共表達網絡分析，對那些具有表達顯性的基因構建了一個基因共表達網絡。結果表明，87個顯性表達基因與A基因組的4302個基因互作，295個顯性表達基因與B基因組的4612個基因互作。KEGG途徑富集分析表明，A、B基因組共表達網絡中的基因通常與淀粉、蔗糖代謝等代謝途徑有關。特別是，泛醌和其他萜類醌生物合成、光合作用-觸角蛋白、類胡蘿卜素生物合成和其他聚糖降解途徑在A基因組中特別豐富。B基因組中的硒復合代謝和氰胺酸代謝途徑特別豐富（Q<0.05）[30]。這些結果說明，在多倍體香蕉中，A和B基因在染色體發生上同源片段交換，并表現出功能分化，這些功能分化可能表現在轉錄水平上。

5? 香蕉A、B基因組擴張與功能

5.1? 基因組擴張與乙烯生物合成

乙烯在果實采后呼吸躍變成熟的調控中起著關鍵作用[53]。乙烯生物合成途徑中的關鍵酶包括S-腺苷-L-蛋氨酸合酶（S-adenosyl-L-methionine synthase， SAMS）、1-氨基環丙烷-1-羧酸合酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase， ACS）和1-氨基環丙烷-1-羧酸氧化酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase， ACO）[54]。從A基因組中鑒定出了12個SAMS、11個ACS和11個ACO基因，在B基因組中鑒定了10個SAMS、11個ACS和18個ACO基因[30]，與單子葉植物和真雙子葉植物中的其他7個測序植物物種相比[55]，這是一個顯著的擴張。鑒定了來自A和B基因組的28對同源基因，對這些基因對在巴西蕉（Musa AAA group， cv. Cavendish， BX）和粉蕉A基因組（Musa ABB group， cv. Pisang Awak， FJ）的表達模式進行了分析，發現其與粉蕉B亞基因組表現出相似的表達模式。有趣的是，8對基因在B基因組中表現出同源表達優勢，5對基因在FJ的A基因組中優勢表達[30]。

ACS和ACO以前都被證明是乙烯生物合成中的限制酶[56]。在10對ACS基因中，MaACS7/ MbACS7是Ma-ACS1的同源基因，在果實成熟過程中（主要在B基因組中）高水平表達。MbACS6和MbACS7在一個大的共線性模塊中是旁系同源基因（該共線性模塊包含19個基因對），這些基因對分別與MaACS6和MaACS7保持著共線性和緊密的進化關系，這表明這些基因是通過WGD復制而來。在9個ACO基因對中，有3對（MaACO2/MbACO6、MaACO3/MbACO7和MaACO8/MbACO13）在果實成熟過程中高水平表達，并主要在B基因組中表達。MaACO2/MbACO6和MaACO3/MbACO7分別處于A基因組的5號染色體和B基因組的6號染色體，處于1個線性模塊中，屬于同一個系統發育分支。這些結果表明，MaACO2/MbACO6和MaACO3/MbACO7是獨立起源的，在果實成熟過程中發揮重要作用[30]。

基因復制是產生新的遺傳多樣性的主要機制，是真核生物產生新遺傳多樣性和進化創新的基礎[57]。與A基因組中的11個ACO基因相比，B基因組中的ACO基因顯著擴張到18個成員，包括位于3號染色體上的MbACO2、MbACO3、MbACO4、MbACO5，位于6號染色體上的MbACO8、MbACO9、MbACO11和位于scaffold中的MbACO16、MbACO18，是由B基因組中的串聯重復（tandem duplications）驅動的。在B基因組擴增的ACO基因中，MbACO2和MbACO3在果實成熟期表現出很強的表達水平，在果實采后6 d（days postharvest， DPH）粉蕉中的log2RPKM>11，這與乙烯躍變期一致。此外，MbACO8、MbACO9、MbACO11、MbACO16、MbACO18在開花后0 d（days post flowering， DAF）在根和果實中高表達。這些基因屬于同一個簇，它們的表達模式與它們的復制高度一致，表明B基因組中ACO基因的擴張和進化有助于組織發育和果實成熟[30]。在采后成熟過程中，FJ比BX成熟快與乙烯生物合成和果實成熟相關基因對的顯性表達以及B基因組中ACO家族的擴張有關。

5.2? 基因組擴張與淀粉代謝

淀粉是植物中最廣泛和最豐富的貯藏碳水化合物，也是香蕉果實的主要成分，在香蕉果實發育過程中大量積累（約占干重的60%～75%），導致大淀粉顆粒（約8～30 nm）的存在，以及在收獲后成熟期間幾乎完全轉化為可溶性糖[58-60]。負責淀粉生物合成的主要酶[61]（sugars will eventually be exported transporter， SWEET; sucrosetransporter， SUT; sucrose synthase， SuSy; UDP-glucose pyro- phosphorylase， UGPase; ADP-glucose pyrophos- phorylase， AGPase; granule-bound starch synthase， GBSS; soluble starch synthase， SSS; starch branch- ing enzyme， SBE; starch debranching enzyme， DBE）和降解淀粉的主要酶（α-amylase， AMY; β-amylase， BMY; starch phosphorylase， DPE）由多基因家族編碼。在A基因組中鑒定了101個淀粉代謝相關基因，其中77個參與淀粉合成途徑，24個參與淀粉降解途徑。在B基因組中鑒定出淀粉合成途徑中的68個基因，以及淀粉降解途徑中的28個基因[30]。

在淀粉合成途徑中，9個基因家族中的5個（SuSy、GBSS、SSS、SBE和DBE）與其他7種植物（包括番茄和葡萄）相比，在香蕉的A和B基因組中表現出明顯的擴張。在這些家族的A和B基因組中鑒定了54個同源基因對。其中，27個同源基因對在根、葉和果實組織中具有表達優勢，其中7對在A亞基因組中占優勢，20對在B亞基因組中占優勢。因此，淀粉合成途徑在B基因組中的不同組織中比在A基因組中更為活躍。那些在B亞基因組中顯性表達的基因對中，在果實采前0 DAF和20 DAF時，MbSWEET17、MbSuSy1、MbSuSy2和MbSuSy9的表達水平較高，表明對果實發育過程中的淀粉合成起重要作用。相比之下，大多數淀粉合成相關基因（A或B基因組特有）表現出低表達水平[30]。

在淀粉降解途徑中基因組注釋表明，與其他7種植物相比，AMY和BMY家族在香蕉A和B基因組中有明顯的擴張。從A和B基因組中鑒定了21個同源基因對。在這些基因對中，11個具有顯性表達，并且在果實成熟期間與B基因組相關。在顯性表達基因中，MbAMY-2、MbAMY-3、MbAMY-8、MbBMY-6、MbBMY-8和MbDPE-2在果實成熟過程中表現出高表達。MbAMY-1、MbAMY-2、MbAMY-3、MbAMY-4、MbAMY-5和MbAMY-6、MbAMY-7、MbAMY-8顯示出緊密的親緣關系和進化關系，表明這些基因是從串聯拷貝復制的。MbBMY-5、MbBMY-8和MbBMY-6、MbBMY-12是B基因組處于1個共線性模塊中的兩個旁系同源基因對，顯示出密切的進化關系，表明這些基因來源于WGD[41]。綜上所述，表明B基因組中串聯驅動的AMY復制和WGD驅動的BMY復制有助于淀粉降解。B基因組中淀粉生物合成相關基因的顯性表達可能導致FJ果實發育過程中淀粉積累增加。此外，與淀粉降解相關的基因在B基因組中的顯性表達也可能導致FJ中淀粉降解的升高[30]。因此，在果實發育和成熟過程中，B基因組在淀粉代謝途徑中分別導致顯著的淀粉積累和降解。

6? 展望

6.1? 繼續廣泛進行基因組測序工作

由于基因組測序技術的進步，全基因組測序已成為基因組學的一個常規技術，越來越多的植物物種（品種）都已完成了全基因組測序。據不完全統計，截至2018年12月31日，僅園藝植物就有181種完成測序[62]。據估計全球約有39.1萬種陸地植物，此外還有8000種綠藻，與其他生物界相比，它們的基因組異常多樣，從10 Mb到100 Gb不等，目前已獲得的全基因組數據還遠遠不能滿足人類的需求[63]。因此，有學者提出了萬種植物基因組測序計劃（10 000 Plants Project， 10 kP），旨在將我們對植物基因組的了解擴大到比目前所知范圍更廣的物種[64]。香蕉的基因組測序雖然取得了一些進展，除了兩個野生親本外，還有2個野生近緣種——Musa itinerans[65]和M. schizocarpa（S基因組）[66]也進行了全基因組測序。因為它們不是從頭獲得的，沒有將這些最終組裝序列與現有參考序列進行比較，且基因組的連續性較差，得到的組裝序列是片段化的，影響了數據的使用。現保存在國際生物多樣性組織香蕉種質資源轉運中心（Bioversity International Musa Germplasm Transit Centre， ITC）的1500多種可食和野生香蕉種質，被認為是全球香蕉多樣性最豐富的保存庫。全世界大約有500個香蕉品種，然而，在全世界種植的所有品種中，超過40%只屬于一個基因狹窄的群體——Cavendish亞群。要加快栽培品種的選育，就必須借助于全基因組測序，深入了解其基因來源、演化規律等。在A、B基因組測序基礎上，加快幾個野生亞種的序列測定，對品種的遺傳構成加以解析。

6.2? 盡快啟動表型組學研究

隨著基因組學技術的不斷擴展，基因組學研究已經取得了很大的進步。然而，基因組學數據對作物改良的影響仍然遠遠不能令人滿意，遠沒有達到“聯盟”成立之初所預見的那樣“對植物進行基因改造，使其在不同的生物、生態和文化環境中獲得最佳性能，從而造福于人類和環境”。這在很大程度上是由于缺乏有效的表型數據。收集有用的高質量表型數據的能力落后于目前產生高通量基因組學數據的能力。因此，從基因組學轉移到表型組學（phenomics）是基因組學研究的必然結果[67]。表型分析是一項困難而復雜的研究工作，其難點表現在：（1）有效的表型分析。有效的表型被認為是彌合數量性狀基因型-表型差距的關鍵因素[67]，利用大量種質資源發現候選數量性狀位點（quantitative trait locus， QTL）對足夠廣泛的性狀進行表型定位，從而發現QTL/基因，并克隆重要基因以用于分子育種。（2）表型的穩定性。表型的穩定性必須要進行大量的重復試驗，才能在復雜多變的環境中對群體或種質進行表型分型，以便捕捉到有益性狀的代表性變異，如生物和非生物脅迫耐受性、產量、品質等，并且要證明這些性狀可以穩定遺傳。（3）表型的分析方法。通過使用高通量有效的表型分析技術篩選大量種質資源，加快植物育種進程[68]。目前在其他植物中已經使用的高通量有效的分析技術包括非侵入性成像、光譜學、圖像分析、機器人技術、高性能計算設備和建立表型數據庫等，系統地收集表型數據。這些現代表型組學平臺和工具旨在記錄植物生長、發育、結構、光合作用或生物量等性狀的數據，在一天之內記錄成百上千株植物，這是一場表型組學革命。對于香蕉而言，這一切似乎還很遙遠。目前，表型數據的收集還處在對資源或品質的性狀描述階段。香蕉的表型組學研究的挑戰在于大多數品種來源單一，性狀間的差異很小，增加了表型分型的難度。香蕉的繁殖方式大多是無性繁殖，性狀的穩定性要通過長期觀察才能獲得，需要耗費大量人力物力。香蕉植株高大，增加了設備、設施的投入，成本高。這些都制約著香蕉表型組學的研究。

6.3? 今后一段時間的重點工作

香蕉基因組學研究的20年歷程，雖然取得了一些積極進展，但將基因組學研究成果應用于新品種的創制仍需進一步努力。目前應著重從以下3個方面積極開展工作：一是加大種質資源引進、收集、鑒定和評價，擴大資源擁有量;二是圍繞香蕉系統演化、遺傳物質結構變異與馴化、不育性和營養繁殖等重大科學問題，持續深入開展基因組學研究;三是加強轉基因育種[69]、基因編輯[70]等技術研究，加快新功能基因的應用。

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