科研项目

青岛农大张忠华团队基于图形泛基因组揭示了黄瓜农艺性状和驯化的遗传变异

    2022-02-04 17:35:57 来源:园艺学院          浏览数:0

  2022年2月3日,Nature Communications在线发表了青岛农业大学园艺学院张忠华教授团队题为Graph-based pan-genome reveals structural and sequence variations related to agronomic traits and domestication in cucumber的研究论文,该研究首次构建了高质量的黄瓜图形结构泛基因组,阐明了黄瓜驯化过程中基因组染色体核型的演化规律,鉴定了多个与黄瓜农艺性状和驯化相关的重要结构变异,并揭示了重要性状在驯化和育种改良过程中演化的基因组学基础,这为黄瓜重要基因挖掘、野生基因资源利用和分子设计育种提供了重要信息。

  黄瓜是重要蔬菜作物,也是研究植物性别决定和维管束生物学的重要模式系统。黄瓜基因组参考序列和种质资源全基因组遗传变异研究推动了重要农艺性状基因的鉴定和利用,然而,大量重要农艺性状是由较长DNA序列片段的结构变异控制,且结构变异为野生资源利用和基因挖掘带来诸多障碍,因此需要通过泛基因组研究全面鉴定黄瓜基因组的结构变异,进而促进黄瓜驯化和重要农艺性状相关基因的研究。

  该研究基于前期对黄瓜115份核心种质资源的亲缘关系和演化分析(Nature Genetics, 2013),选择了12个代表性黄瓜种质资源,包括5个印度野生类群、3个东亚类群、3个欧美类群和1个西双版纳类群材料,分别完成了染色体水平的基因组组装。通过比较这12个基因组序列,发现了在4号、5号和7号染色体上有7个特大DNA片段倒位变异(图1),这些特大倒位变异只在部分野生材料中存在,并且不同野生材料存在的变异不同,揭示了倒位变异在野生材料驯化中的逐步演化。倒位变异的存在会导致重组抑制进而限制野生资源基因的挖掘和利用,这些特大片段倒位变异的演化历史为野生材料选择应用提供了重要信息。

  为全面鉴定黄瓜基因组的遗传变异,该研究建立了12个黄瓜基因组的共线性对应关系,比对共鉴定出290万个SNP、140万个小InDels和5.6万个结构变异 (SV),其中2624个SV影响了2712个基因的编码区。将SV序列和断点信息与黄瓜参考基因组图谱整合,研究人员构建了黄瓜图形结构泛基因组(图2),并对多个农艺性状进行了结构变异的全基因组关联(SV-GWAS)分析,成功鉴定出黄瓜性别决定相关基因m和F所在基因组区域,并直接关联到果刺基因CsGL3启动子区域的关键结构变异。

  为进一步利用图形结构泛基因组揭示影响黄瓜驯化和重要农艺性状的遗传变异,该研究对黄瓜果刺果瘤、开花时间和根系发育等性状进行了深入分析。在已知果瘤关键基因CsTu的外显子上新发现了一个51-bp的结构变异,可破坏CsTu基因功能影响果瘤,并且对果刺果瘤多个基因在黄瓜115份核心种质的遗传变异进行了系统分析,揭示了结构变异在果实刺瘤性状相关基因中的驯化和育种选择历程(图3)。开花时间在农作物驯化和地理适应的过程中发挥重要作用,现代栽培黄瓜的开花时间都远远早于野生黄瓜和西双版纳半野生黄瓜,基于图形结构泛基因组,该研究新鉴定出CsFT上游1个44-kb的结构变异,只在2份开花极晚 (~60d) 的野生黄瓜种质中出现,系统发生关系表明这2个野生种质可能为其他黄瓜的祖先类型,并提出了CsFT位点在黄瓜驯化和和育种选择过程中的演化历程,加深了对黄瓜适应性演化机制的理解(图4)。此外,该研究还发现PELPK7.1和PELPK7.2基因附近结构变异可能在黄瓜驯化过程根系发育的改变中起重要作用。

  该研究不仅为黄瓜基因组和重要性状的演化提供新见解,而且为黄瓜重要基因挖掘和遗传育种提供了重要平台资源和信息,为加速黄瓜育种进入全基因组设计时代奠定了重要基础。其方法论和相关结果也为甜瓜、西瓜和南瓜等瓜类作物生物学研究提供重要参考。

  该成果由中国农业科学院蔬菜花卉研究所、青岛农业大学、中国农业科学院农业基因组研究所和西北农林科技大学等多家单位协作完成。青岛农业大学园艺学院张忠华教授为唯一通讯作者,青岛农业大学为唯一通讯作者单位。中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员对本研究提供了重要指导。康奈尔大学Boyce Thompson研究所费章君教授和华中农业大学信息学院的杨庆勇教授等也参与了该项目的完成。此前,张忠华教授作为(共同)第一或通讯作者破译了第一个瓜类作物-黄瓜的基因组密码(Nature Genetics,2009;GigaScience, 2019),解析了黄瓜、甜瓜和冬瓜等瓜类作物的基因组演化历程、驯化历史和农艺性状多样性遗传机制(Nature Genetics,2013;Nature Genetics,2019;Nature Communications,2019),阐明了黄瓜全部开雌花等性状的遗传机理(Plant Cell,2015和2021;TAG,2021;Horticulture Research,2021),并为黄瓜及其它瓜类苦味物质合成和调控机理解析提供了关键基因(Science,2014;Horticulture Research,2022),这些工作为推动瓜类作物研究进入组学时代和全基因组分子设计育种奠定了基础。

  本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国农业科学院创新工程、山东省泰山学者和草学一流学科等资助。

  链接:Graph-based pan-genome reveals structural and sequence variations related to agronomic traits and domestication in cucumber (https://doi.org/10.1038/s41467-022-28362-0)
 

图1 黄瓜驯化过程中基因组染色体的核型演化
 

图2 黄瓜图形结构泛基因组
 

图3 CsTu果瘤基因区的新SV和SV在驯化和育种过程中的选择
 

图4 黄瓜开花时间CsFT基因的驯化和育种选择

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