苹果属植物分布广泛，物种多样性丰富，具有重要的农业和生态价值，但目前只有少部分栽培品种在商业和工业中得到应用。由于苹果属物种遗传背景复杂，且相关基因组研究数据仍较有限，这很大程度阻碍了我们对其进化历史和遗传多样性的深入理解。

2025年4月16日，中国农业大学园艺学院韩振海教授团队在国际著名期刊《Nature Genetics》在线发表了题为“Pan-genome analysis reveals the evolution and diversity of Malus”的研究论文，构建了首个苹果属泛基因组图谱，绘制出苹果属植物的遗传多样性全景图。

1.苹果属植物进化基因组图谱

本研究共选取了30个苹果属的物种，包括二倍体与多倍体类型，采用PacBio HiFi和Hi-C测序技术进行de novo测序，成功组装出染色体水平的高质量基因组，组装的BUSCO完整度为98.5%。这些基因组中，重复序列占比在53.54%-62.38%，其中长末端重复逆转录转座子（LTR-RTs）最为丰富。系统发育分析表明，苹果属为单系群，可以划分为7个进化枝，其共同祖先可追溯到56.28 Ma。研究推测，苹果属可能起源于亚洲，早期在亚洲地区分化，随后扩散至其它地区。

图1 苹果属的基因组和系统进化分析

2.苹果属的基因组重复和多样性

本研究通过系统基因组学分析，识别并定位了6519个基因组复制事件（GDs），这些事件出现在苹果属和其他肉质果属所在的亚族Malinae的最近期共同祖先（MRCA）。同时，研究还证明，在蔷薇科的早期进化过程中曾发生过一次全基因组复制事件（WGD）。进一步分析发现，Malinae亚族的内部节点有多个包含≥500GDs的簇，对相关锚定基因进行共线性分析表明，这些GDs簇来源于Malinae亚族的WGD。

此外，作者进一步对GDs的分布特征进行分析，结果显示Gillenieae可能是亲本谱系，经历了一次杂交事件，从而产生了Malinae的祖先（可能是Maleae）。分子钟分析进一步指出，Malinae亚族的WGD事件可能有助于多个苹果属类群在古气候温度下降的环境中得以生存。

图2 苹果属系统发育进程中的基因重复事件分析

3.苹果属的多次基因渗入事件

本研究对32个苹果属物种和7个外群物种的基因组进行了系统发育基因组学和共线性分析，并检测了苹果属中的直系同源基因组群（MOGs），共鉴定出20859个MOGs。作者统计了每个MOG中“姐妹关系”的数量（即：A基因来自苹果属多倍体的亚基因组，B基因来自苹果属二倍体，且B基因是A基因可能的祖先，则A和B之间为姐妹关系），并将支持姐妹关系数量最多的候选物种视为该多倍体亚基因组的可能祖先。

基于苹果属二倍体物种的系统发育关系，作者将其划分为A-E共5种基因组类型，并发现了基因组之间的一些渗入事件。苹果属二倍体基因组和相关多倍体亚基因组之间的系统发育分析显示，A/B基因组的二倍体及其相关多倍体亚基因组的MRCA和三个多倍体（M. transitoria，M. toringoides和M. xiaojinensis）亚基因组的MRCA之间为姐妹关系。这一结果表明，这三种多倍体可能起源于一个共同的四倍体祖先，该祖先形成于A/B基因组分化之前，而在C基因组分化之后。

总体而言，本文揭示了苹果属二倍体与部分多倍体亚基因组之间的详细系统发育关系，解析了祖先谱系与多倍体后代的演化路径，为深入理解苹果属的基因组演化和遗传育种具有重要意义。

图3 苹果属植物的基因渗入历史分析

4.苹果属泛基因组和结构变异（SVs）

本研究组装了苹果属20个二倍体物种的单倍型基因组，结合6个已发表的二倍体样本数据，对共计26个样本的52个单倍型基因组以及10个多倍体样本的基因组进行了分析。以“Fuji”染色体为参考基因组，共检测到468006个存在缺失变异（PAVs），2591个重复和1990个倒位，这些SVs分散于常染色质区，在部分染色体的着丝粒附近呈现密度升高的趋势。

分析显示，苹果属7个主要进化枝共有SVs的数量为34930，且总SVs的数量已趋于饱和。苹果属SVs序列88.54%为重复序列（主要是LTR-RTs），表明转座元件很可能是苹果属SVs形成的驱动因素。此外，作者基于苹果属的泛基因组图谱还鉴定到一些种质特有的与农艺性状相关的SVs，例如M. floribunda种质Rvi6区域的特异性片段与苹果黑星病抗性相关。

图4 苹果属泛基因组的SVs分析

5.泛基因组图工具解析苹果属的选择性清除特征

本研究整合了337份苹果种质的重测序数据（247个栽培种质，90个野生种质）进行选择清除分析。作者选取了两个栽培种质（‘Fuji’和‘Golden Delicious’）和它们的三个近缘野生种质（M. sieversii， M. micromalus和M. prunifolia）的基因组作为参考，并使用自己开发的工具IntervalConvertor实现了5套参考基因组的坐标统一，从而精准鉴定出这5套基因组特异的选择清除和相关的基因。

研究发现，MdMYB5基因只有在M. prunifolia或者M. micromalus作为参考基因组时才能被鉴定到。MdMYB5基因编码MYB转录因子，与植物抗逆性相关。野生种质中MdMYB5基因的表达高于栽培种质，且在两个种质中MdMYB5基因启动子区有个特异的SNP。这些结果表明，MdMYB5基因在苹果驯化过程中经历了选择压力，并且所鉴定的SNP可能是与MdMYB5表达变化相关的功能多态性位点。作者进一步对MdMYB5基因的功能进行了实验验证，证实了MdMYB5基因的低表达可能是苹果在驯化过程中抗逆性减弱的原因。

图5 MdMYB5基因在苹果驯化中的选择压力和功能分析

小    结

本研究通过构建30个苹果属植物的泛基因组，揭示了苹果属在全基因组复制、杂交、基因渐渗等多重机制驱动下的演化历史与基因组多样性。基于泛基因组图谱的结构变异分析以及新生物学分析流程的开发也大大促进了分子标记的发现和多基因组参考的方法学应用。研究不仅丰富了果树进化与育种基因资源，也展示了泛基因组技术在作物改良中的广阔前景。

参考文献：

Li W, et al. Pan-genome analysis reveals the evolution and diversity of Malus. Nat Genet. 2025.