近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院劉凡研究員團隊，聯(lián)合江蘇農(nóng)科院及美國和荷蘭的科學(xué)家，在生物學(xué)領(lǐng)域重要刊物《BMC Biology》上在線發(fā)表了題為“Genome sequencing sheds light on the contribution of structural variants to Brassica oleracea diversification”的研究論文（Guo et al., 2021）。發(fā)布了花椰菜和牛心型結(jié)球甘藍的高質(zhì)量基因組，首次報道了花椰菜與結(jié)球甘藍兩個變種基于高質(zhì)量參考基因組以及重測序群體的全基因組結(jié)構(gòu)變異信息，揭示了結(jié)構(gòu)變異與甘藍種內(nèi)遺傳-表型分化的重要相關(guān)性，以及影響花椰菜花球形成的可能生物學(xué)途徑與重要調(diào)控基因。研究成果有利于推動甘藍種的分子遺傳研究及分子育種。

 

　　甘藍（Brassica oleracea）為十字花科蕓薹屬的一個二倍體基本種，是世界性的重要蔬菜類群，包括結(jié)球甘藍、花椰菜、青花菜、苤藍、芥蘭、抱子甘藍、羽衣甘藍等多個變種，具有非常豐富的形態(tài)多樣性和各異的食用產(chǎn)品器官。隱藏在表型多樣性背后的基因組變異信息，長期吸引著研究及育種者的興趣。然而，全基因組結(jié)構(gòu)變異（structural variants），特別是大的 SV 對甘藍種內(nèi)變種分化以及特異表型形成的作用研究很少，很多問題仍然未知。

 

　　本研究中，研究者利用第三代單分子實時測序（PacBio SMRT）結(jié)合光學(xué)物理圖譜（BioNano）和染色質(zhì)構(gòu)象（Hi-C）等技術(shù)，成功組裝獲得了花椰菜（Korso）和牛心型結(jié)球甘藍（OX-heart）染色體水平的高質(zhì)量參考基因組（N50分別為 4.97Mb 和 3.10Mb；分別有99%和 95.3%的組裝序列錨定到染色體上），并更好地解析了編碼基因和重復(fù)序列的注釋信息。研究發(fā)現(xiàn)花椰菜和結(jié)球甘藍均發(fā)生了兩次明顯的長末端轉(zhuǎn)座子（LTR）插入事件，而白菜（B. rapa）只發(fā)生了一次。基因家族和單拷貝同源基因分析表明甘藍與花椰菜和青花菜共同祖先的分化大約發(fā)生在 168 萬年前。

　　在高質(zhì)量參考基因組組裝、注釋的基礎(chǔ)上，綜合利用多手段對比分析，在 Korso 和 OX-heart 基因組間共獲得約 12 萬個結(jié)構(gòu)變異。進一步分析這些結(jié)構(gòu)變異在 271 份甘藍種重測序材料中的基因型，發(fā)現(xiàn)SV構(gòu)建的甘藍種群體結(jié)構(gòu)和親緣關(guān)系與SNP的分析結(jié)果高度一致，說明了SV鑒定結(jié)果可信度高，能反映出不同變種間的遺傳差異性。為了進一步解析這些SVs在表型分化上的意義，研究者篩選出了在花椰菜與結(jié)球甘藍變種間受到顯著選擇的結(jié)構(gòu)變異（Selected-SVs）49,904 個。分析發(fā)現(xiàn)，受選擇結(jié)構(gòu)變異影響的基因主要在細(xì)胞分化、細(xì)胞周期、細(xì)胞發(fā)育和花發(fā)育等生物途徑上富集。該結(jié)果為解析花椰菜和結(jié)球甘藍的表型分化和特異器官形成提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

 

　　最后，研究者結(jié)合Selected-SVs影響的基因和花椰菜花球發(fā)育轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，鑒定出一批與花球發(fā)育相關(guān)的候選基因，初步揭示了FLC、WUS、CAL、SVP、ARL2 等基因在花球形成和發(fā)育不同階段的重要作用，并提出了相應(yīng)的花球發(fā)育分子網(wǎng)絡(luò)。

 

　　基因組結(jié)構(gòu)變異可引起順式調(diào)節(jié)區(qū)域的大規(guī)模變動，更可能改變基因表達水平和影響表型，在植物進化和農(nóng)業(yè)性狀形成中起到非常重要的作用。本研究成果對甘藍種蔬菜遺傳多樣性產(chǎn)生和特異器官形態(tài)建成分子機制的解析、性狀關(guān)鍵調(diào)控基因的功能研究和分子設(shè)計育種等具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值。

 

　　本院蔬菜中心郭寧副研究員、江蘇省農(nóng)科院蔬菜所王神云研究員、中科院武漢植物園高磊研究員和未來組劉永銘為該論文并列第一作者；荷蘭瓦赫寧根大學(xué) Guusje Bonnema 教授、江蘇省農(nóng)科院蔬菜所李建斌研究員、美國博伊湯普森研究所費章君教授和蔬菜中心劉凡研究員為共同通訊作者，北京市農(nóng)林科學(xué)院為論文第一單位。本研究得到了北京市農(nóng)林科學(xué)院院長基金、國際合作基金、創(chuàng)新能力建設(shè)項目和海培計劃，以及國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的資助。

 

　　蔬菜研究中心該課題組近年來以花椰菜為重點，先后開展了雙單倍體、體細(xì)胞遠緣雜交、基因編輯等細(xì)胞與基因工程育種技術(shù)和種質(zhì)創(chuàng)新研究，后續(xù)將在本研究基礎(chǔ)上，針對花椰菜花球形成的產(chǎn)量及品質(zhì)調(diào)控開展進一步的工作。

 

　　附件：   蔬菜中心生物技術(shù)室研究論文介紹稿5.8(3).docx