二月蘭 中國(guó)農(nóng)科院蔬菜所供圖
近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計(jì)育種團(tuán)隊(duì)完成了二月蘭基因組的解析。通過(guò)基因組比較分析，在十字花科古多倍化演化和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)油脂性狀等的遺傳基礎(chǔ)上取得了重要發(fā)現(xiàn)。相關(guān)成果發(fā)表在《植物—通訊》（Plant Communications）上。
二月蘭屬于十字花科諸葛菜屬，因開(kāi)花始于農(nóng)歷二月而得名，是一種重要的觀賞園藝植物。二月蘭的種子含油量高，富含不飽和脂肪酸，是一種潛在的高質(zhì)量油料作物。從進(jìn)化上看，已有研究提示二月蘭可能是由一個(gè)四倍體祖先進(jìn)化而來(lái)，且與白菜、甘藍(lán)、蘿卜等十字花科蔬菜的親緣關(guān)系較近，可與白菜等雜交。因此，有推測(cè)認(rèn)為二月蘭可能是白菜等十字花科作物多倍化過(guò)程中的四倍體祖先。然而由于基因組信息缺乏，限制了相關(guān)多倍化進(jìn)化過(guò)程的研究，也阻礙了二月蘭的馴化與育種應(yīng)用。
該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用Nanopore和Hi-C測(cè)序組裝技術(shù)，完成了二月蘭全基因組組裝，獲得了包含12對(duì)染色體的高質(zhì)量參考基因組，大小為1.34 Gb。基于二月蘭祖先基因組的推導(dǎo)、重建與分析，發(fā)現(xiàn)二月蘭經(jīng)歷了一次特異性的基因組四倍化事件，并明確了其二倍體祖先具有七條染色體，且核型與白菜等十字花科蔬菜作物相同。
基于祖先基因組的七條染色體，該團(tuán)隊(duì)重建了二月蘭的兩套祖先基因組，分別命名為Ov1和Ov2。研究發(fā)現(xiàn)Ov1的基因密度高于Ov2，進(jìn)一步比較兩套亞基因組中的同源基因表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)Ov1上有更多基因的表達(dá)量高于Ov2上的線性同源基因，同時(shí)與基因上下游的重復(fù)序列密度呈負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果表明二月蘭存在亞基因組優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象，其古多倍化屬于異源四倍化。
二月蘭與白菜等十字花科植物在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上較為接近，其基因組四倍化發(fā)生在約857萬(wàn)年前，與白菜、甘藍(lán)等共有的基因組古三倍化時(shí)間相近。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)二月蘭的古四倍化事件與蕓薹屬的古六倍化事件是相互獨(dú)立的，明確了二月蘭不是白菜等十字花科作物的四倍體祖先。此外，通過(guò)比較基因組區(qū)塊關(guān)系，還校正了十字花科祖先核型系統(tǒng)的兩個(gè)區(qū)塊的邊界錯(cuò)誤。
該研究解析了二月蘭高質(zhì)量基因組，通過(guò)基因組進(jìn)化分析，明確了二月蘭經(jīng)歷了一次特異的古異源四倍化事件，存在亞基因組優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象，并確定了二月蘭的古四倍化事件與白菜等十字花科蔬菜作物的古六倍化事件相互獨(dú)立。這些研究結(jié)果豐富了人們對(duì)十字花科古多倍化演化的認(rèn)知，為利用十字花科野生資源創(chuàng)制高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物新種質(zhì)提供了理論依據(jù)，以及為綠肥植物的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
蔬菜分子設(shè)計(jì)育種團(tuán)隊(duì)助理研究員張亢、博士生楊印慶和碩士畢業(yè)生張?chǎng)螢樵撜撐牡墓餐谝蛔髡撸啼h研究員、王曉武研究員、資源區(qū)劃所易可可研究員和美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的James C. Schnable教授為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目、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，以及重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100431
