該研究通過PacBio?HiFi、ONT超長讀長和Hi-C測序技術(shù)，首次完成了紅色胡蘿卜高代自交系TXH4的端粒到端粒（T2T）無間隙基因組組裝，并系統(tǒng)闡明了關(guān)鍵基因調(diào)控番茄紅素特異性富集的分子機(jī)制，為胡蘿卜品質(zhì)育種提供了重要理論依據(jù)與技術(shù)支撐。百邁客生物為該研究提供了三代測序及相關(guān)分析服務(wù)。

研究背景

胡蘿卜（傘形科Daucus?carota）作為全球重要的根莖類蔬菜，富含多種類胡蘿卜素。非紫色胡蘿卜根色的差異主要源于類胡蘿卜素組成和含量的不同，例如橙色胡蘿卜中富含α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素，黃色胡蘿卜則以葉黃素為主。

紅色胡蘿卜因富集番茄紅素而呈現(xiàn)獨(dú)特的紅色，在18世紀(jì)傳入中國后長期占據(jù)東亞市場的重要地位。其中，“透心紅”TXH4是我國西北地區(qū)廣泛栽培的地方品種，因其優(yōu)異的耐貯性、抗逆性及高番茄紅素含量等特質(zhì)，在生產(chǎn)中備受青睞。番茄紅素作為一種高價值天然抗氧化劑，其在TXH4中的特異性高效積累機(jī)制，長期以來未被系統(tǒng)解析。

隨著基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建高質(zhì)量參考基因組成為解析這一問題的關(guān)鍵。然而，此前僅有兩個橙胡蘿卜品種（黑田型（Kurodagosun）、南特型（Nantes））完成T2T基因組組裝，紅胡蘿卜的基因組資源仍屬空白。

材料及方法

為解析上述科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)選取紅色胡蘿卜高代自交系TXH4為材料，采用了前沿的多平臺測序技術(shù)進(jìn)行無間隙的端粒到端粒（T2T）基因組組裝。

具體技術(shù)路徑包括：利用PacBio?HiFi測序保證序列準(zhǔn)確性，結(jié)合Hi-C技術(shù)進(jìn)行染色體水平輔助組裝，并借助ONT的超長讀長數(shù)據(jù)攻克復(fù)雜基因組區(qū)域的組裝難題。這種整合策略最終獲得了高質(zhì)量的TXH4完整參考基因組。在此基礎(chǔ)上，研究通過比較基因組學(xué)（與已發(fā)表的橙色胡蘿卜T2T基因組對比）、KEGG?通路分析、代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析，并結(jié)合轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)探究了番茄紅素積累的遺傳基礎(chǔ)。

研究結(jié)果

TXH4高質(zhì)量基因組特征及變異解析

該研究成功組裝了TXH4的T2T無間隙基因組。與兩個橙色胡蘿卜參考基因組（黑田型、南特型）比較，分別鑒定出2,466,422和2,037,986個SNP，以及500,579和474,704個InDel。更重要的是，KEGG通路分析發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素生物合成通路中的基因富集了大量TXH4的特異性變異，初步揭示了紅色類胡蘿卜素的積累模式與南特、黑田五寸等橙色胡蘿卜存在顯著差異。

圖1-9個物種之間的比較基因組和進(jìn)化分析

圖2-胡蘿卜基因組的比較基因組學(xué)分析和變異評估

代謝組與轉(zhuǎn)錄組的協(xié)特征

代謝組分析證實(shí)，TXH4肉質(zhì)根中番茄紅素的含量極高，是葉片含量的1965倍，而下游產(chǎn)物α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素的含量極低（僅為葉片的2.7%和3.5%）。這一“上游淤積、下游匱乏”的代謝模式，在轉(zhuǎn)錄組層面找到了直接原因：催化番茄紅素向下游轉(zhuǎn)化的兩個關(guān)鍵酶基因——DcLCYB1（番茄紅素β-環(huán)化酶基因）與DcLCYE（番茄紅素ε-環(huán)化酶基因），在TXH4肉質(zhì)根中的表達(dá)量較葉片顯著下調(diào)，其表達(dá)抑制與番茄紅素的高積累形成直接關(guān)聯(lián)。

圖3-類胡蘿卜素生物合成及DcLCYB1和DcLCYE在TXH4中的過表達(dá)影響

關(guān)鍵基因的功能驗(yàn)析

功能實(shí)驗(yàn)為上述關(guān)聯(lián)提供了因果證據(jù)。在TXH4中過表達(dá)DcLCYB1和DcLCYE，導(dǎo)致根中番茄紅素含量下降；相反，在橙色胡蘿卜（黑田型）中敲除這兩個基因，則成功誘導(dǎo)了番茄紅素的大量積累。這直接證明，DcLCYB1和DcLCYE的低表達(dá)是TXH4番茄紅素特異性高水平積累的核心機(jī)制。它們的表達(dá)抑制，阻斷了番茄紅素向α/β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化通路，從而使其在根中大量富集。

圖4-橙色胡蘿卜‘Kurodagosun’中DcLCYB1和DcLCYE的敲除

研究總結(jié)

該研究通過完成紅色胡蘿卜地方品種TXH4的高質(zhì)量T2T基因組組裝，為胡蘿卜功能基因組學(xué)研究提供了寶貴的資源。研究不僅從基因組變異、代謝組和轉(zhuǎn)錄組多個層面系統(tǒng)解析了紅色胡蘿卜的特征，更重要的是，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓δ軐?shí)驗(yàn)，明確了DcLCYB1和DcLCYE這兩個關(guān)鍵基因的低表達(dá)是驅(qū)動番茄紅素積累的根本原因。該研究不僅為揭示紅色胡蘿卜中番茄紅素積累的遺傳機(jī)制提供了重要見解，同時也拓展了胡蘿卜育種的基因組資源，為作物品質(zhì)改良奠定了遺傳基礎(chǔ)。

圖5-TXH4 T2T基因組特征