近日，西北大学生命科学学院李忠虎教授团队在国际知名期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（中科院1区TOP，IF=7.7）在线发表了题为“Telomere-to-telomere genome and multi-omics analysis of Prunus avium cv. Tieton provides insights into its genomic evolution and flavonoid biosynthesis”的研究论文。该研究以欧洲甜樱桃（Prunus avium cv. Tieton）为对象，利用PacBio HiFi、ONT Ultra-long和Hi-C测序技术，完成了其端粒到端粒（T2T）无间隙基因组组装及其比较基因组学研究，并利用该物种不同组织转录组和代谢组学联合分析，揭示了欧洲甜樱桃类黄酮生物合成的遗传调控机制。这些发现为基因组进化和类黄酮生物合成机制提供了深入见解，同时也为进一步的功能基因组学研究和樱桃育种改良奠定了坚实基础。

蔷薇科（Rosaceae）包含约90属3000种植物，以其多样化的果实类型著称。欧洲甜樱桃（Prunus avium L.）作为蔷薇科李属的重要成员，起源于西亚和东南欧，是全球广受欢迎的经济作物之一。欧洲甜樱桃植物资源种类繁多，遗传多样性丰富，在长期的自然选择和人工选育条件下积累了大量的优质基因，是研究李属水果品种改良的重要选育材料。“美早”（Prunus avium cv. Tieton）是我国甜樱桃经济水果的代表品种之一，不仅以其美味的口感深受消费者喜爱，还因其较强的抗逆性在农业生产中占据重要地位。研究“美早”及其他欧洲甜樱桃品种对于开发抗逆性强、适应性广的高品质甜樱桃新品种具有重要意义。

本研究以全球广泛种植的欧洲甜樱桃品种“美早”为研究对象，利用PacBio HiFi、ONT Ultra-long和Hi-C测序技术，完成了欧洲甜樱桃的T2T无间隙基因组组装。研究团队生成了75.40 Gb（109×覆盖度）的HiFi数据、26.70 Gb（79.6×覆盖度）的ONT Ultra-long数据以及161.20 Gb的Hi-C测序数据。经过初步组装和优化，最终获得了大小为342.23 Mb的T2T无间隙基因组，包含8条假染色体，contig N50达到40.66 Mb，基因组完整性评估（BUSCO）达到99.36%。基因组注释结果显示，重复序列占基因组的61.74%，其中简单重复序列（SSR）占0.42%，串联重复序列占67.30%。通过结合转录组预测、从头预测和同源性预测，研究团队共注释了36,150个基因，其中包括31,562个蛋白质编码基因和4588个非编码RNA基因（如rRNA、tRNA和miRNA）。

图1 欧洲甜樱桃（Prunus avium cv. Tieton）的T2T无缺口基因组组装及基因组特征

研究团队对“美早”樱桃与8种代表性植物的基因组（Prunus armeniaca, P. persica, P. mira, P. yedoensis, Arabidopsis thaliana, Populus trichocarpa and Vitis vinifera）进行比较基因组学分析。共检测到29,915个直系同源基因家族，其中10,506个基因家族为8个物种共有。1100个为“美早”樱桃基因组所特有，GO富集分析揭示这些独特基因可能在物种环境适应过程中起到关键作用。基因家族扩张与收缩分析显示，“美早”樱桃基因组中发生了2406个基因家族收缩和1239个基因家族扩张事件。此外，4DTv分析表明，“美早”樱桃在其进化历史中经历了一次全基因组复制事件。

基于非靶向代谢组学检测方法，获得了欧洲甜樱桃“美早”的五个组织（果肉、茎、叶、芽和种子）中共1582种差异代谢物，其中积累了85种类黄酮代谢物（42.5%）。类黄酮热图分析显示，8种类黄酮物质在果肉组织中高度累积。基于转录组测序的PCA分析结果表明，转录表达调控主导了代谢流。一些参与类黄酮生物合成的关键代谢物在不同组织中表现出差异积累。例如，Naringenin在茎和芽中浓度较高，但在其他三个组织（叶、种子、果肉）中浓度较低。Quercetin在叶中高度积累，而Hesperetin, (+)-Catechin, Chrysin 和Kaempferol在茎中积累较多，Eriodictyol在芽中积累较多。相比之下，类黄酮生物合成途径的终产物Neohesperidin在果肉中显著积累。类黄酮生物合成的特异性调控网络分析显示，7个基因（HTC8、HTC6、CYP75B1_9、CYP75B1_10、4CL1、DFR1和FLS1）显著调控了欧洲甜樱桃果肉中类黄酮物质的积累。此外，类黄酮生物合成途径中的多个关键结构基因（如4CL6、PAL3、CYP75A2、F3H1等）在果肉组织中高度表达，与甜樱桃果肉中较高的类黄酮代谢物含量相一致。

图2 欧洲甜樱桃“美早”品种五个不同组织中代谢物的变化

本研究系统解析了欧洲甜樱桃“美早”T2T无间隙基因组，为欧洲甜樱桃的比较基因组学和进化研究提供了高质量参考基因组。此外，类黄酮生物合成的遗传调控网络解析，为欧洲甜樱桃的品质改良和抗逆性育种提供了重要的基因资源和理论依据。研究团队未来将进一步探索这些关键基因的功能，并结合分子育种技术培育抗逆性强、品质优良的欧洲甜樱桃新品种。

西北大学为论文的第一作者单位和通讯作者单位，李忠虎教授和王晓娟老师为论文的共同通讯作者，在读博士生周通和黄小娟为论文的并列第一作者。该研究得到了国家自然科学基金（32470392, 31901232）、陕西基础科学（化学、生物学）研究院重点项目（23JHZ009, 22JHZ005）以及陕西省重点研发计划（2022ZDLSF06–02）等项目的支持。