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市农科院科研人员揭示花椰菜演化历程与花球形成分子机制

花匠小妙招
2024-09-16 04:13

天津市农科院蔬菜所花椰菜育种团队与生物所农业基因组学团队，联合中国农业大学园艺学院林涛教授团队，历经6年的持续攻关，基于971份大规模基因组数据，从群体遗传学角度解析了花椰菜的分步驯化历程，并发现了21个花球形成关键调控基因，阐明了花球形成分子机制，同时克隆了一批与花椰菜品质、产量、抗病抗虫等重要农艺性状相关的关键调控基因，突破了花椰菜功能基因匮乏的限制，为加速花椰菜资源精准创制和定向改良提供了靶点信息和技术支撑。近日，相关成果发表于国际著名期刊《Nature Genetics》（影响因子30.8）。

花椰菜俗称“菜花”。上世纪七八十年代，花椰菜在我国是“稀罕”蔬菜，种植面积很小，杂交品种全部依赖进口，每公斤种子价格高达3000元，我国每年需花费大量外汇进口花椰菜种子。为破解花椰菜育种技术难题，天津市农科院蔬菜所花椰菜育种团队经过长期不懈的科研攻关，在2000年后相继主持育成40余个具有自主知识产权的新品种，扭转了我国花椰菜优良杂交品种短缺和花椰菜生产落后的局面。但我国花椰菜的基础研究仍较薄弱，基因组学研究严重滞后，因缺乏对种群结构、驯化历史、花球形成和重要农艺性状调控机理的解析，制约了我国花椰菜生物育种创新，进而阻碍了我国花椰菜新品种的选育效率及更新迭代。

研究团队历经6年，在971份花椰菜及甘蓝种资源的基因组重测序数据基础上，构建了迄今为止国际上最为全面的高质量变异组图谱，并将花椰菜分为宝塔花椰菜、极晚熟亚群、晚熟亚群、早熟亚群1与早熟亚群2共5个亚群。系统解析了花椰菜最初由野生种驯化为青花菜，再由青花菜分化为宝塔花椰菜，进一步分化为极晚熟与晚熟群体，最后形成花椰菜早熟群体的驯化历程，经历了由无花球演化成绿色花球，再进一步分化为白色花球的两个阶段。借助基因组学大数据，共鉴定出一批花椰菜产量、品质、抗病虫等重要农艺性状关键基因。

图1. 花椰菜大规模变异组图谱与种群进化关系

研究建立了涵盖海量分子标记的基因组学数据库，突破了花椰菜种质资源和功能基因匮乏的瓶颈，破解了花椰菜关键调控基因稀少的国际难题，大大地提升了花椰菜育种的精准性和效率，研究成果填补了花椰菜基因组学研究的多项空白。

图2. 基于组学大数据的花球形成分子机制解析

本项研究的意义在于，第一，使我国花椰菜基因组学研究进入国际领先行列；第二，使我国花椰菜生物育种水平跻身国际前列；第三，促进了我国花椰菜从传统育种向分子育种的转变。

图3. 重要农艺性状GWAS定位与主茎高度调控基因克隆

天津市农科院生物所陈锐研究员、中国农大园艺学院联培博士生陈克、天津市农科院蔬菜所姚星伟研究员、张小丽副研究员为论文共同第一作者；天津市农科院蔬菜所孙德岭研究员、中国农大园艺学院林涛教授、天津市农科院生物所陈锐研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了蔬菜生物育种全国重点实验室、国家自然科学基金、国家大宗蔬菜产业技术体系、国家重点研发计划等项目的资助。