甘藍(lán)類蔬菜作物種類眾多，包括結(jié)球甘藍(lán)（圓白菜）、花椰菜、青花菜、芥藍(lán)、苤藍(lán)、羽衣甘藍(lán)、抱子甘藍(lán)等十余種變種類型，在世界范圍內(nèi)廣泛種植，是我國最重要的一大類蔬菜作物之一。甘藍(lán)類蔬菜的形態(tài)變異十分豐富，如結(jié)球甘藍(lán)由多層葉片包裹形成的葉球，抱子甘藍(lán)腋芽分化形成的小葉球，青花菜、花椰菜莖頂端分化形成的巨大花球，苤藍(lán)莖基部膨大形成的肉質(zhì)球莖等。盡管類型豐富多樣，其馴化歷史相對較短（2500年以內(nèi)，部分約500年）。與其他作物相比，甘藍(lán)類蔬菜具有形態(tài)類型快速多樣化馴化的特征。甘藍(lán)類蔬菜在較短的馴化過程中形成異常豐富表型變異的機(jī)制尚不清楚。因此，揭示甘藍(lán)類蔬菜快速馴化的驅(qū)動力，解析調(diào)控不同變種分化和特異性狀形成的遺傳機(jī)制是亟待解決的科學(xué)問題，對于甘藍(lán)類蔬菜的分子設(shè)計育種具有重要意義。

 

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)執(zhí)行首席程鋒研究員，在前期研究解析十字花科蔬菜種源演化和復(fù)雜園藝性狀形成的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步聯(lián)合甘藍(lán)類蔬菜遺傳育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和荷蘭瓦赫寧根大學(xué)植物育種系生長與發(fā)育團(tuán)隊(duì)，在國際著名期刊Nature Genetics上發(fā)表題為“Large-scale gene expression alterations introduced by structural variation drive morphotype diversification in Brassica oleracea”的研究論文，構(gòu)建了包含所有變種類型的甘藍(lán)泛基因組，揭示了甘藍(lán)變種快速馴化的隱藏驅(qū)動力，獲得了一批重要性狀的關(guān)鍵基因。

 

　　該研究首先利用700余份甘藍(lán)野生種和覆蓋所有變種材料的重測序數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，發(fā)現(xiàn)甘藍(lán)變種主要起源于兩個獨(dú)立的馴化事件，一個馴化形成了以葉片/葉球形態(tài)多樣化為主的分支，另一個形成了以莖和花膨大等形態(tài)變異為主的分支。據(jù)此選取了22個代表性野生甘藍(lán)和變種材料，利用PacBio，Nanopore，Bionano和Hi-C等測序技術(shù)，構(gòu)建了染色體水平的高質(zhì)量基因組，其序列連續(xù)性、著絲粒完整性等與已發(fā)表的甘藍(lán)基因組相比顯著提升。

 

　　甘藍(lán)變種除了形態(tài)多樣之外，代謝物、風(fēng)味等營養(yǎng)品質(zhì)性狀也豐富多樣?；?2個新組裝基因組和5個已發(fā)表的三代基因組，該研究構(gòu)建了包含多個野生種和所有變種的甘藍(lán)泛基因組圖譜。比較甘藍(lán)變種之間的同源基因保留情況，發(fā)現(xiàn)不同變種特異的基因丟失/保留存在著顯著差異，且這些基因富集于特殊代謝物合成途徑等。例如，在青花菜中的這些基因與硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)、硫酯水解酶活性等代謝通路相關(guān)，而在苤藍(lán)中該類基因與α-葡萄糖、維他命B6合成相關(guān)。研究結(jié)果提示這些在馴化過程中特異性丟失/保留的基因與甘藍(lán)蔬菜變種的營養(yǎng)成分、風(fēng)味品質(zhì)等差異性形成相關(guān)。

 

 

　　比較27個甘藍(lán)基因組的序列差異，發(fā)現(xiàn)不同甘藍(lán)變種基因組之間存在大量的結(jié)構(gòu)變異（SV），且大多數(shù)（73%）位于基因上下游區(qū)域，這些SV不影響基因本身的功能而被保留和積累下來。研究發(fā)現(xiàn)約70%的基因表達(dá)變化與SV的狀態(tài)相關(guān)，SV序列既可以促進(jìn)基因的表達(dá)，也可以抑制基因的表達(dá)，促進(jìn)基因表達(dá)的SV序列中含有顯著多的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，而抑制基因表達(dá)的SV序列具有顯著高的DNA甲基化修飾水平。這些結(jié)果說明甘藍(lán)變種間大量存在的SV通過調(diào)控相鄰基因的表達(dá)劑量推進(jìn)甘藍(lán)變種多樣性的形成。

 

　　該研究進(jìn)一步構(gòu)建了甘藍(lán)的圖形基因組，在700多份甘藍(lán)群體材料中開展變種特異性馴化選擇分析，挖掘到一批在不同變種中受到特異性馴化選擇的SV及相關(guān)基因。例如：在青花菜/花椰菜中定位了維持花序分生組織同一性和花輪形態(tài)發(fā)生的基因PNY，其啟動子區(qū)域的SV在青花菜/花椰菜中受到了強(qiáng)烈的馴化選擇，該SV促進(jìn)了PNY在青花菜/花椰菜中的顯著高表達(dá)；另一個SV位于青花菜/花椰菜CKX3基因的下游，促進(jìn)了該基因在花球發(fā)育期（細(xì)胞分裂素氧化酶）的葉片中的表達(dá)，從而抑制葉片的生長。另外，在結(jié)球甘藍(lán)定位了葉球發(fā)育背腹性調(diào)控基因KAN1下游的SV，該SV顯著抑制了該基因在結(jié)球甘藍(lán)中的表達(dá)；在觀賞羽衣甘藍(lán)中發(fā)現(xiàn)了一個受到特異性選擇而完全固定的SV，其促進(jìn)了相鄰轉(zhuǎn)錄因子基因MYB的表達(dá)，該SV是由轉(zhuǎn)座子的插入形成，分子實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該插入序列對基因的轉(zhuǎn)錄激活作用。

 

　　綜上所述，該研究構(gòu)建了高質(zhì)量的甘藍(lán)泛基因組和圖形基因組，揭示了SV是大量基因表達(dá)劑量改變的重要調(diào)節(jié)因子，驅(qū)動了甘藍(lán)形態(tài)類型多樣化的快速馴化。該研究為甘藍(lán)變種形成的馴化機(jī)制提供了新的見解。該研究中建立的“結(jié)構(gòu)變異-基因表達(dá)改變-表型變異”的調(diào)控模型，加深了對于結(jié)構(gòu)變異調(diào)控性狀形成機(jī)制的理解，對于回答“植物表型多樣化是如何形成的”這一重大科學(xué)問題具有重要意義。另外，研究成果首次揭示了基因表達(dá)劑量是基因丟失或功能變異之外的馴化選擇作用的重要對象，對于其他作物的馴化研究具有參考價值。

 

　　中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所博士生李幸、副研究員王勇、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)蔡成成博士（現(xiàn)就職于中國農(nóng)科院蔬菜花卉所）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所季家磊副研究員、韓風(fēng)慶助理研究員、張磊助理研究員為該論文的共同第一作者；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所程鋒研究員、張揚(yáng)勇研究員、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)Guusje Bonnema副教授、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所呂紅豪研究員、張亢副研究員為該論文的共同通訊作者。本研究得到了蔬菜生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物生物學(xué)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、以及荷蘭TKI項(xiàng)目的資助。謹(jǐn)以此文緬懷甘藍(lán)育種家方智遠(yuǎn)院士。

 

　　論文鏈接：

 

　　https://www.nature.com/articles/s41588-024-01655-4

 

 

　　甘藍(lán)類蔬菜作物表型變異極其豐富，是研究器官特異性馴化的良好系統(tǒng)。中國農(nóng)科院蔬菜花卉所研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Genetics》上發(fā)表的這項(xiàng)研究充分利用了甘藍(lán)類蔬菜作物豐富的形態(tài)特征，通過泛基因組和大規(guī)模多組學(xué)數(shù)據(jù)分析，來回答它們是如何在較短的時間內(nèi)馴化出如此多樣的變種類型。這項(xiàng)研究揭示了結(jié)構(gòu)變異（SV）調(diào)控基因表達(dá)是甘藍(lán)多樣性進(jìn)化的“分子加速器”這一重要規(guī)律。甘藍(lán)群體中的結(jié)構(gòu)變異能夠改變重要性狀調(diào)控基因的表達(dá)劑量，進(jìn)而驅(qū)動一系列甘藍(lán)形態(tài)多樣性的形成。這一規(guī)律具有普遍性，相關(guān)成果不僅為農(nóng)作物的應(yīng)用基礎(chǔ)研究提出了新的方向，也為未來種質(zhì)創(chuàng)制與育種策略的制訂提供了新思路。比如，可通過基因組設(shè)計和基因編輯，利用結(jié)構(gòu)變異精細(xì)改變目標(biāo)基因的表達(dá)，設(shè)計創(chuàng)造出更多變異豐富、形態(tài)多樣的農(nóng)作物新種質(zhì)。

 

 

　　中國農(nóng)科院蔬菜花卉所在《Nature Genetics》上發(fā)表的這篇論文是十字花科作物馴化研究的又一重大成果，揭示了甘藍(lán)變種的重要馴化機(jī)制。這項(xiàng)工作構(gòu)建了迄今為止規(guī)模最大、質(zhì)量最高的甘藍(lán)泛基因組，并創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變異能夠引入新的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)或改變DNA甲基化水平等方式，改變臨近基因的表達(dá)。這些基因表達(dá)劑量的改變產(chǎn)生一系列形態(tài)多樣性，其經(jīng)過馴化選擇推動了甘藍(lán)變種類型的多樣化。這項(xiàng)研究率先揭示了基因表達(dá)劑量作為馴化作用對象的馴化選擇新模式，是對基因丟失或功能變異等馴化作用對象的重要補(bǔ)充；同時凸顯了結(jié)構(gòu)變異（SV）作為基因表達(dá)劑量調(diào)節(jié)因子在作物馴化和表型多樣化中的重要作用。研究成果可為其他作物的馴化研究等提供參考。同時，這一成果也再次證明我國在十字花科基因組學(xué)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。