近日，山東省農(nóng)業(yè)科學院花生栽培與生理生態(tài)創(chuàng)新團隊聯(lián)合山東師范大學和華大基因北方中心等多家單位在植物學領(lǐng)域國際知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=8.154）在線發(fā)表了題為“Insights into amphicarpy from the compact genome of the legume Amphicarpaea edgeworthii”的研究論文。該研究利用最新的測序技術(shù)和生物信息學分析方法，獲得了一個高質(zhì)量兩型豆基因組，是目前唯一一個兩型結(jié)實植物基因組，該研究為兩型結(jié)實植物繁殖策略研究提供了重要基因組學資源，為揭示花生等地下結(jié)實等習性的演化提供了新線索。由于具有基因組小，種子較多等特點，作者建議今后將兩型豆作為研究植物兩型結(jié)實的模式植物。

 

　　地上/下兩型結(jié)實是被子植物中一類獨特的結(jié)實方式，是地上結(jié)實和地下結(jié)實的中間階段，這種獨特的繁殖策略被認為是植物對外界環(huán)境不確定性選擇進化的結(jié)果。被子植物中13科24個屬均存在兩型結(jié)實現(xiàn)象，兩型豆（A. edgeworthii）為豆科兩型豆屬一年生纏繞草本植物，常生于海拔300-1800米的山坡，喜濕怕高溫，分布于中國東北、華北等地，在日本、北美亦有分布。其同一植株上能夠產(chǎn)生三種類型的花，即地上開放花、地上閉鎖花和地下閉鎖花，能夠分別在地上和地下發(fā)育成形態(tài)不同的果實，為典型的地上/下兩型結(jié)實的代表植物，是研究植物地上/地下結(jié)實的理想材料。

 

　　該研究采用三代Nanopore測序技術(shù)結(jié)合染色體構(gòu)象捕獲（Hi-C）技術(shù)成功組裝了兩型豆染色體水平的高質(zhì)量參考基因組序列。該基因組組裝大小約為299 Mb，contig N50約為9.7Mb，共鑒定到27,899個蛋白質(zhì)編碼基因。比較基因組分析顯示，兩型豆與大豆屬植物的親緣關(guān)系最近。研究發(fā)現(xiàn)，兩型豆基因組是目前已測試的920個豆科植物中最小的，其可能原因是基因組在進化過程中由于同源重組不平衡導致長末端重復反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量減少所致。同時，在兩型豆基因組中發(fā)現(xiàn)，與抗病和抗逆性相關(guān)的基因家族發(fā)生了顯著收縮及基因丟失，推測與兩型豆“兩頭下注（bet- hedging strategy）”的生殖策略有關(guān)，是對該物種較弱環(huán)境適應能力的一種補償機制。

 

　　對兩型豆的開放花與閉鎖花基因組分析發(fā)現(xiàn)，推測導致兩型花發(fā)育差異的原因是由兩型豆的花發(fā)育“ABCE”模型中MADS-box基因具有不同的表達模式所致。正選擇基因分析顯示，控制花瓣發(fā)育AP3同源基因在兩型豆基因組中受到正選擇。此外，地上/下兩型結(jié)實植物的地上/下種子往往具有不同的休眠性。研究發(fā)現(xiàn)兩型豆中的地上和地下種子的休眠特性與其種皮的硬實度有關(guān)。結(jié)合地上與地下果實種皮結(jié)構(gòu)和基因不表達數(shù)據(jù)，鑒定了多個蠟質(zhì)及角質(zhì)層合成途徑關(guān)鍵基因，這些基因的表達差異可能與地上和地上種子硬實性有關(guān)。

 

　　山東農(nóng)科院生物技術(shù)研究中心劉譯陽博士，山東師范大學生命科學學院張學杰教授和華大基因北方中心韓凱為論文共同第一作者，山東農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究中心萬書波研究員，李國衛(wèi)研究員，華大基因北方中心范廣益博士為共同通訊作者，團隊多位教師和學生也參與了該項研究，同時也得到了國內(nèi)外多家單位相關(guān)研究學者的參與和支持。研究工作受到了國家自然科學基金和泰山學者等項目的資助和支持。