2月3日，國際頂級期刊Nature Communications在線發(fā)表了青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授團(tuán)隊題為Graph-based pan-genome reveals structural and sequence variations related to agronomic traits and domestication in cucumber的研究論文。該研究首次構(gòu)建了高質(zhì)量的黃瓜圖形結(jié)構(gòu)泛基因組，闡明了黃瓜馴化過程中基因組染色體核型的演化規(guī)律，鑒定了多個與黃瓜農(nóng)藝性狀和馴化相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)變異，并揭示了重要性狀在馴化和育種改良過程中演化的基因組學(xué)基礎(chǔ)，為黃瓜重要基因挖掘、野生基因資源利用和分子設(shè)計育種提供了重要信息。

 

　　黃瓜是重要的蔬菜作物，也是研究植物性別決定和維管束生物學(xué)的重要模式系統(tǒng)。黃瓜基因組參考序列和種質(zhì)資源全基因組遺傳變異研究有利于推動重要農(nóng)藝性狀基因的鑒定和利用。然而，大量重要農(nóng)藝性狀由較長DNA序列片段的結(jié)構(gòu)變異控制，且結(jié)構(gòu)變異為野生資源利用和基因挖掘帶來諸多障礙，因此需要通過泛基因組研究全面鑒定黃瓜基因組的結(jié)構(gòu)變異，進(jìn)而促進(jìn)黃瓜馴化和重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的研究。

 

　　該研究基于前期對黃瓜115份核心種質(zhì)資源的親緣關(guān)系和演化分析（Nature Genetics, 2013），選擇了12個代表性黃瓜種質(zhì)資源，包括5個印度野生類群、3個東亞類群、3個歐美類群和1個西雙版納類群材料，分別完成了染色體水平的基因組組裝。通過比較這12個基因組序列，發(fā)現(xiàn)了在4號、5號和7號染色體上有7個特大DNA片段倒位變異（圖1），這些特大倒位變異只在部分野生材料中存在，并且不同野生材料存在的變異不同，揭示了倒位變異在野生材料馴化中的逐步演化。倒位變異的存在會導(dǎo)致重組抑制進(jìn)而限制野生資源基因的挖掘和利用，這些特大片段倒位變異的演化歷史為野生材料選擇應(yīng)用提供了重要信息。

 

　　為全面鑒定黃瓜基因組的遺傳變異，該研究建立了12個黃瓜基因組的共線性對應(yīng)關(guān)系，比對共鑒定出290萬個SNP、140萬個小InDels和5.6萬個結(jié)構(gòu)變異 （SV），其中2624個SV影響了2712個基因的編碼區(qū)。將SV序列和斷點信息與黃瓜參考基因組圖譜整合，研究人員構(gòu)建了黃瓜圖形結(jié)構(gòu)泛基因組（圖2），并對多個農(nóng)藝性狀進(jìn)行了結(jié)構(gòu)變異的全基因組關(guān)聯(lián)（SV-GWAS）分析，成功鑒定出黃瓜性別決定相關(guān)基因m和F所在基因組區(qū)域，并直接關(guān)聯(lián)到果刺基因CsGL3啟動子區(qū)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變異。

 

　　為進(jìn)一步利用圖形結(jié)構(gòu)泛基因組揭示影響黃瓜馴化和重要農(nóng)藝性狀的遺傳變異，該研究對黃瓜果刺果瘤、開花時間和根系發(fā)育等性狀進(jìn)行了深入分析。在已知果瘤關(guān)鍵基因CsTu的外顯子上新發(fā)現(xiàn)了一個51-bp的結(jié)構(gòu)變異，可破壞CsTu基因功能影響果瘤，并且對果刺果瘤多個基因在黃瓜115份核心種質(zhì)的遺傳變異進(jìn)行了系統(tǒng)分析，揭示了結(jié)構(gòu)變異在果實刺瘤性狀相關(guān)基因中的馴化和育種選擇歷程（圖3）。開花時間在農(nóng)作物馴化和地理適應(yīng)的過程中發(fā)揮重要作用，現(xiàn)代栽培黃瓜的開花時間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于野生黃瓜和西雙版納半野生黃瓜，基于圖形結(jié)構(gòu)泛基因組，該研究新鑒定出CsFT上游1個44-kb的結(jié)構(gòu)變異，只在2份開花極晚 （~60d） 的野生黃瓜種質(zhì)中出現(xiàn)，系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系表明這2個野生種質(zhì)可能為其他黃瓜的祖先類型，并提出了CsFT位點在黃瓜馴化和和育種選擇過程中的演化歷程，加深了對黃瓜適應(yīng)性演化機(jī)制的理解（圖4）。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)PELPK7.1和PELPK7.2基因附近結(jié)構(gòu)變異可能在黃瓜馴化過程根系發(fā)育的改變中起重要作用。

 

　　該研究不僅為黃瓜基因組和重要性狀的演化提供新見解，而且為黃瓜重要基因挖掘和遺傳育種提供了重要平臺資源和信息，為加速黃瓜育種進(jìn)入全基因組設(shè)計時代奠定了重要基礎(chǔ)。其方法論和相關(guān)結(jié)果也為甜瓜、西瓜和南瓜等瓜類作物生物學(xué)研究提供重要參考。

 

　　該成果由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所和西北農(nóng)林科技大學(xué)等多家單位協(xié)作完成。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授為唯一通訊作者，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)為唯一通訊作者單位。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文研究員對本研究提供了重要指導(dǎo)?？的螤柎髮W(xué)Boyce Thompson研究所費章君教授和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院的楊慶勇教授等也參與了該項目的完成。此前，張忠華教授作為（共同）第一或通訊作者破譯了第一個瓜類作物-黃瓜的基因組密碼（Nature Genetics，2009；GigaScience, 2019），解析了黃瓜、甜瓜和冬瓜等瓜類作物的基因組演化歷程、馴化歷史和農(nóng)藝性狀多樣性遺傳機(jī)制（Nature Genetics，2013；Nature Genetics，2019；Nature Communications，2019），闡明了黃瓜全部開雌花等性狀的遺傳機(jī)理（Plant Cell，2015和2021；TAG，2021；Horticulture Research，2021），并為黃瓜及其它瓜類苦味物質(zhì)合成和調(diào)控機(jī)理解析提供了關(guān)鍵基因（Science，2014；Horticulture Research，2022），為推動瓜類作物研究進(jìn)入組學(xué)時代和全基因組分子設(shè)計育種奠定了基礎(chǔ)。

 

　　該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程、山東省泰山學(xué)者和草學(xué)一流學(xué)科等資助。

 

　　相關(guān)鏈接：Graph-based pan-genome reveals structural and sequence variations related to agronomic traits and domestication in cucumber （https://doi.org/10.1038/s41467-022-28362-0）