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花生基因组研究取得重大突破

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2024-12-03 20:59

花生基因组研究取得重大突破

发布时间：2019-05-05 14:55:13 阅读次数：3488

我院作为共同通讯作者单位的研究成果“栽培种花生基因组揭示了豆科植物的核型、多倍体进化和作物驯化（The genome of cultivated peanut provides insight into legume karyotypes, polyploid evolution and crop domestication）”于2019年5月1日在国际学术权威刊物英国《自然·遗传学》（Nature Genetics）在线发表。该项研究在全世界范围内首次破译了四倍体栽培种花生的全基因组，标志着我国在栽培种花生基因组、花生染色体起源、花生及豆科主要类群分歧时间及核型演化、花生基因组结构变异与分子育种研究方面处于国际领先水平。
    该项研究由福建农林大学庄伟建教授牵头组织22个研究机构共同完成。我院院长王希胤课题组负责了比较与进化基因组学分析，揭示了栽培种花生与二倍化花基因组的基因共线性，重构了花生及豆科植物的染色体演化史，阐明了亚基因组间的显性和置换不平衡。该成果对全球花生的遗传改良具有里程碑贡献，对我国乃至全球农业的基础研究具有重要意义，奠定了我国在花生基础生物学研究方面的领先地位。
    花生是世界上重要的油料作物和大宗农作物，是最有影响力的豆科作物之一。全世界有106个国家种植花生、每年种植面积达2500万公顷。我国是世界花生第一大国，种植面积达7500多万亩，产量达1700万吨，占世界总产量约40%，占全国油料作物总产（不含大豆）近50%，其种植业产值达1200亿元，居全国农作物（水稻、小麦、玉米之后）的第四位。唐山市是我国主要的花生产区，所辖的滦州市素有中国花生之乡、中国油料作物生产基地之称，2018年花生种植面积达23万亩。
    王希胤与庄伟建、以及来自印度ICRISAT（国际半干旱热带作物研究所）的Varshney、福建农林大学明瑞光是论文的共同通讯作者。我院王金朋、王振怡老师、研究生于继高、袁嘉庆、孙朋川、孟繁博、赵毓昊参与了相关研究工作，王金朋老师负责了研究的具体组织。
《自然·遗传学》是英国《自然》系列杂志之一,发表国际遗传学研究的最新发现和重大成果,是全世界最顶级权威学术刊物之一，2018年影响因子为27.125。
我院研究成果介绍
    首次全面揭示了花生及其他豆科物的染色体起源、核型进化和栽培花生基因组结构变异。
    揭示了栽培花生B亚基因组与二倍体A. ipaensis序列更相似, 并在基因保留、基因转换和染色体进化上更稳定。栽培种和二倍体A、B对应染色体的区段比对发现，B与B亚基因组间序列相似性显著高于A与A亚基因组，四倍化后至少有6处发生A和B亚基因组间染色体间重组，其中在Chr03与Chr13染色体下臂未端发生了10Mb的染色体片段易位。
    揭示了栽培种花生和其他豆科重要物种的染色体起源和核型进化，发现花生染色体进化路径独立于其它豆科物种。花生染色体进化极其复杂。我们采用“Top-down”比较葡萄和豆科植物和“Bottom-up” 比较菜豆与其它豆科物种基因共线性发现，双子叶植物六倍化后产生的21条染色体，经历了融合产生16条豆科基础染色体，通过LCT加倍为32条染色体，再经重组回复到16条豆科祖先染色体（称Lu）。我们重构了Lu祖先染色体的基本基因构成，比较花生与Lu基因共线性发现，花生的A1、A3、A4、A5、A6和 A7染色体是在“Lu”基础上经过6次融合产生，A2, A8, A9和A10是“Lu”经过两次染色体交换产生。从A基因组分开后，B基因组发生了第7和8条染色体间交换产生了新的第7和8条染色体（这是A和B（亚）基因组比较出现染色体交换的原因）；之后A和B染色体经天然杂交和四倍化产生了四倍体栽培种花生。独立的染色体进化可能与花生地下结果性和独特固氮特性等的相关。
    深入揭示了栽培花生的起源、物种进化和栽培驯化。
    揭示栽培种花生起源于42~47万年前，否定了栽培种花生是起源于距现在6600年前。之前一直认为栽培种花生的起源时间不足一万年，通过计算二倍体和四倍体A、 B基因组间所有共线性等位基因对的同义碱基替换率Ks，发现A、B（亚）基因组分开的时间均距现在1.5百万年前，A与A亚基因组和B与B亚基因组分开的时间，分别距现在47和42万年前。对41个单拷贝基因的Beast2计算得到了相似的结果。这纠正了栽培花生起源于6600年前，且人类参与了栽培种花生起源的报道。
    同时揭示了花生基因组含量变化及与种子大小、抗病性、油脂代谢和固氮的关系。
相关背景及成果概述
    随着高油酸花生的出现，花生将提供与橄榄油、茶籽油一样或更好的大宗食用油和更优质的食品。花生产业将面临前所未有的广阔发展前景。但因四倍体栽培种花生基因组冗大、结构复杂，研究难度大；花生的基础生物学研究、重要基因精细定位与功能鉴定、花生分子遗传育种和生物技术研究落后，长期影响了产业发展。本研究成果将为这些领域研究提供重要资源和技术支撑，极大地促进花生分子遗传改良和产业升级发展。
    栽培种花生基因组是节段异源四倍体，由两个相近基因组进化而来，一直未能破译。本项目在国际上率先完成并公布了高质量栽培种花生全基因组序列和精细结构框架，并精确注释到无冗余等位性基因水平；在此基础上全面系统深入比较了花生与其它豆科物种及双子叶植物葡萄的基因组，揭示了花生与其它豆科物种染色体起源、核型进化、分歧时间和栽培种花生基因组结构变化，重构了花生及豆科物种染色体数量和结构变化的复杂历程，并发现花生核型是直接从豆科祖先染色体独立进化产生；为解释花生物种特有的生物学性状演化提供了遗传依据。栽培花生四倍化后种子大小、抗病性、产油量等发生了极大变化，本项目在全基因组尺度上揭示了栽培花生基因含量变化，解析了种子大小、抗病性、油脂代谢和特殊固氮特性与基因含量及序列进化的关系。研究系统深入讨论了栽培种花生的物种起源、进化和栽培驯化，证明已测序的野生种A. duranensis不是栽培种花生A亚基因供体，栽培花生的两个变种和各亚种是独立驯化形成的，特别是提出了全新的花生进化学说，这将为花生遗传改良提供理论指导。花生育种的主要目标高产、优质、抗逆，本研究首次通过基因组精细定位获得了花生种子大小、种皮颜色的决定基因、花生抗晚斑病和锈病的R基因簇，通过基因组也证实了诱变产生双基因隐性突变高油酸新材料。因此，本成果在基因组解决花生重要科学问题实践上也取得了重大突破。对花生的基础和应用研究将起巨大的推动作用。使花生的全基因组选择育种、精准育种和大规模基因组编辑成为可能，可大大提高花生遗传改良效率，培育更高产、优质、抗病、安全新品种。研究表明花生基因组也可作为双子叶植物的重要的参考基因组，用于研究双子叶植物及豆科物种起源、演化和物种多样性。