2021年9月6日，Nature Genetics在線發(fā)表了湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所團(tuán)隊的最新合作成果，闡明了芥菜群體結(jié)構(gòu)和多樣性變異的遺傳基礎(chǔ)，揭示了芥菜的起源和馴化歷史。諾禾致源研發(fā)合作中心生信工程師作為共同第一作者參與項目研究與文章發(fā)表。

Genomic insights into the origin, domestication and diversification of?Brassica juncea

芥菜起源、馴化和多樣性的基因組解析

發(fā)表雜志：Nature Genetics發(fā)表時間：2021.9.6影響因子：38.33發(fā)表單位：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所、諾禾致源論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-021-00922-y

研究材料

材料：芥菜型油菜黃籽品種“四川黃籽”；

基因注釋轉(zhuǎn)錄組測序：根、莖、葉、花蕾、角果（授粉后7天和15天）、角果皮（授粉后20天）和種子（授粉后20天）；

遺傳圖譜：172個重組自交系（四川黃籽?× 紫葉芥）；

重測序：480份芥菜種質(zhì)資源

測序技術(shù)

PacBio Sequel、BioNano、Hi-C、WGS-seq、RNA-seq、GBS tags

研究方法

基因組組裝、群體結(jié)構(gòu)、全基因組關(guān)聯(lián)分析、選擇消除、轉(zhuǎn)錄組分析等

研究背景

異源四倍體芥菜(Brassica juncea, AABB, 2n = 36)是由二倍體祖先種白菜(B. rapa,?AA, 2n = 20)和黑芥 (B. nigra, BB, 2n = 16)天然雜交后加倍而來，是一種形態(tài)多樣且重要的經(jīng)濟(jì)作物。芥菜栽培和馴化歷史悠久，經(jīng)過長期的變異和選擇，芥菜演化出籽芥、根芥、葉芥和莖芥四大亞種。一般認(rèn)為芥菜起源于亞洲，但起源于亞洲何處，是單系起源還是多系起源，一個世紀(jì)以來是個懸而未解的科學(xué)爭議。前蘇聯(lián)學(xué)者Vavilov認(rèn)為中亞是芥菜的起源中心，但許多研究人員則認(rèn)為芥菜最早是在中東進(jìn)化的；早期的形態(tài)學(xué)研究提出了單系起源的觀點(diǎn)，而一些學(xué)者結(jié)合化學(xué)分類學(xué)、核DNA標(biāo)記和葉綠體基因組標(biāo)記的研究結(jié)果提出了多系起源的觀點(diǎn)，近期我國學(xué)者基于109份芥菜材料的重測序結(jié)果再次提出了單起源的假說。因此，需要更加全面的研究來揭示芥菜起源和馴化之謎，也有助于后續(xù)開展芥菜育種改良工作。?

研究成果

1.芥菜型油菜四川黃籽（SY）的染色體級基因組

本研究利用PacBio、Illumina、BioNano、 Hi-C和高密度遺傳圖譜從頭組裝SY基因組，最終獲得933.5 Mb的基因組序列，其中867.3 Mb（~92.9%）被錨定在染色體上。BUSCO評估?（98.5%）、CEGMA評估（99.6%）、LTR組裝指數(shù)（LAI，10.7）、BAC序列匹配性（>95%）、BAC雙末端序列匹配性（99.5%）、遺傳圖譜和物理位置的一致性、基于基因組有序圖形基因型（GOGG）的一致性等表明該基因組組裝的高準(zhǔn)確性。SY基因組在基因組組裝大小，含N比例、連續(xù)性和掛載率等方面優(yōu)于之前發(fā)表的芥菜基因組。

表1 四川黃籽芥菜基因組組裝統(tǒng)計

圖1?四川黃籽芥菜基因組的特征??

2.群體結(jié)構(gòu)與基因組變異

為了探索芥菜的遺傳變異，我們對來自全球38個國家的、包含4個亞種的480份種質(zhì)材料進(jìn)行了重測序，平均測序深度為15×，共獲得4,529,618個高質(zhì)量SNPs和967266個InDels。共有946,661個SNP(20.9%)和50,955個InDels(5.27%)位于編碼區(qū)，其中345,138個SNP(7.62%)導(dǎo)致密碼子改變、轉(zhuǎn)錄延長或密碼子提前終止，而27,420個InDels(2.83%)導(dǎo)致移碼突變。這個全面的芥菜基因組變異數(shù)據(jù)集為芥菜生物學(xué)研究和育種改良提供了資源。

為了更好地闡明群體內(nèi)的親緣關(guān)系，我們排除了90份主要遺傳成分低于60%的材料。系統(tǒng)發(fā)育和主成分分析表明，剩余的390個樣本歸屬三個不同的進(jìn)化枝。進(jìn)化枝?僅包含根芥。進(jìn)化枝Ⅱ由來自西亞、中亞和中國西北部沿草原之路分布的籽芥組成，這是一條早于絲綢之路的跨歐亞貿(mào)易路線。進(jìn)化枝Ⅲ包括來自印度次大陸和中國南部的油用芥菜、葉芥和莖芥，沿連接?xùn)|亞和中亞的南方絲綢之路分布。系統(tǒng)發(fā)育和群體結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步把芥菜劃分為6個遺傳類群（G1-G6），對應(yīng)不同亞種或生態(tài)型。G1是根芥；G2由黃籽芥菜組成，主要來自中國西北，其它來自前蘇聯(lián)、加拿大和歐洲的芥菜也是由中國引進(jìn)；G3由橫跨西藏、中亞和西亞到歐洲的籽芥組成；G4是來自中國西南的油用芥菜；G5主要是葉芥和莖芥，以及少量籽芥，來源于中國南方、日本和美國；G6是來自印度次大陸的油用芥菜，并對6個群體的遺傳特征進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析。

圖2?芥菜種質(zhì)的地理分布、種群結(jié)構(gòu)和基因組多樣性??

3.芥菜的馴化與傳播

為了闡明芥菜的馴化和傳播，我們進(jìn)一步構(gòu)建了芥菜及其祖先的A和B亞基因組系統(tǒng)發(fā)育樹，再次證實(shí)了芥菜6個遺傳類群，表明了芥菜是單系起源。同時，我們組裝了478個葉綠體和10個線粒體基因組，發(fā)現(xiàn)芥菜有3種胞質(zhì)基因組類型。研究結(jié)果表明，芥菜胞質(zhì)基因組源自母本祖先白菜，?型胞質(zhì)經(jīng)過序列插入/刪除和堿基替換分別演化出Ⅱ型和Ⅲ型，再次證明了芥菜為單一起源。綜合考古證據(jù)、野生材料分布和群體遺傳多樣性分析，表明芥菜起源于西亞（中東）。芥菜形成于8000-14000年前，在其自由西向東傳播過程中，形成了三條獨(dú)立傳播路徑，通過基因突變和漸滲雜交演化出6個遺傳類群。

圖3?芥菜的物種形成和馴化傳播??

4.芥菜開花期的生態(tài)地理適應(yīng)性

開花期是作物馴化相關(guān)的一個基本特征，并且對油菜生產(chǎn)有重大影響。通過對貴陽、湘潭、昆明和烏魯木齊四個不同環(huán)境下的390份芥菜進(jìn)行GWAS分析，我們鑒定到56個與開花時間顯著相關(guān)的候選基因。同時，我們利用XP-CLR比較分析了3個開花期有明顯差異的遺傳類群（G6/G1和G6/G2），鑒定了63個開花期候選基因。我們對與開花期密切相關(guān)的兩個基因SRR1和VIN3進(jìn)行單倍型分析，詳細(xì)闡述了它們在芥菜的傳播和馴化過程中的共同進(jìn)化，結(jié)果支持芥菜經(jīng)歷了三個獨(dú)立的馴化事件的結(jié)論。此外，研究還通過GWAS和XP-CLR鑒定了15個與開花時間顯著相關(guān)的新基因，涉及轉(zhuǎn)錄因子、SUVR和WD-40重復(fù)蛋白以及赤霉素信號，值得進(jìn)一步研究。

圖4 芥菜開花期的全基因組選擇消除和GWAS分析??

5.芥菜形態(tài)多樣化的遺傳學(xué)研究

芥菜在馴化和人工選擇過程中發(fā)生了較大的形態(tài)變化，主要表現(xiàn)為種子大小的增加、根的膨大和莖的膨大。本文通過GWAS、選擇消除和轉(zhuǎn)錄組測序?qū)@些馴化性狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。

我們鑒定到22個與千粒重顯著相關(guān)的候選基因，其中有7個基因可以通過選擇消除檢測到。單倍型分析表明，CYP78A9?(BjuA04g00760S)和CaM7(BjuB05g28000S)有地域光周期適應(yīng)，導(dǎo)致芥菜種子大小的多樣化。同時，還通過GWAS和選擇消除分析檢測到30個與TSW顯著相關(guān)的新基因，這些基因包括轉(zhuǎn)錄因子、激素信號通路、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體和核糖體蛋白。

圖5 芥菜千粒重的全基因組選擇消除和GWAS分析??

研究鑒定了14個根芥的貯藏根形成的候選基因，在生長素信號傳導(dǎo)、糖轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞分裂、細(xì)胞擴(kuò)張和細(xì)胞壁修飾方面發(fā)揮作用。其中，參與細(xì)胞分裂和生長的CDC48A4（BjuA03g27650S）存在三種單倍型，對應(yīng)于三個獨(dú)立馴化事件，并在根芥的根膨大過程中上調(diào)表達(dá)。根芥有不同于籽芥、葉菜等的EXPB1?(BjuB02g61740S)單倍型，它在根膨大后表達(dá)下調(diào)，這與報道的蘿卜和甘薯的貯藏根發(fā)育過程中EXPB1的表達(dá)模式一致。另外，擴(kuò)展蛋白基因EXPA16?(BjuA09g18260S) 和木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因XTH9?(BjuA03g32220S) 在根膨大過程有相似表達(dá)模式。

圖6 根芥根膨大候選基因的鑒定

莖芥由葉芥馴化而來，其可食莖直徑遠(yuǎn)大于葉芥。我們比較了莖芥和葉芥的基因組，鑒定到12 個候選基因，涉及細(xì)胞分裂、細(xì)胞擴(kuò)增、生長素信號傳導(dǎo)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)。生長調(diào)節(jié)因子GRF7（BjuA05g02460S）在莖芥的莖瘤膨大過程中表達(dá)上調(diào)，而生長素響應(yīng)蛋白IAA33?(BjuA10g12920S)和生長素響應(yīng)因子ARF5(BjuB03g51870S)在莖瘤膨大后表達(dá)下調(diào)。研究表明，相比B亞基因組，A亞基因組在根芥和莖芥馴化過程中經(jīng)歷了更強(qiáng)的選擇，這與自然界白菜存在多樣化的形態(tài)變異一致。

圖7 莖芥的莖瘤形成候選基因的鑒定??

研究結(jié)論

該文解析了我國特有的芥菜型油菜地方品種“四川黃籽”的基因組，闡明了芥菜在8000-14000年前起源于西亞，自西向東沿三條獨(dú)立路徑傳播，通過基因突變和漸滲雜交演化出6個遺傳類群，并揭示了芥菜傳播過程中在開花期上對環(huán)境的適應(yīng)以及人工選擇籽用、莖用和根用芥菜形態(tài)變異的基因組區(qū)域和候選基因。該研究首次為芥菜的起源和馴化提供了全面的了解，并為今后開展基因組選擇育種奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

Kang?L, Qian?LW,?Zheng M, et al. Genomic insights into the origin, domestication and diversification of Brassica juncea. Nature Genetics,?2021.