黃瓜（Cucumis sativus）是重要蔬菜作物，也是研究植物性別決定和維管束生物學(xué)的重要模式系統(tǒng)。黃瓜基因組參考序列和種質(zhì)資源全基因組遺傳變異研究推動了重要農(nóng)藝性狀基因的鑒定和利用。大量重要農(nóng)藝性狀由較長DNA序列片段的結(jié)構(gòu)變異控制，但結(jié)構(gòu)變異較難分析，因此需要通過泛基因組研究全面鑒定黃瓜基因組的結(jié)構(gòu)變異，進而促進黃瓜馴化和重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的研究。

2022年2月3日，Nature Communications在線發(fā)表了青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院張忠華教授團隊題為“Graph-based pan-genome reveals structural and sequence variations related to agronomic traits and domestication in cucumber”的研究論文，該研究首次構(gòu)建了高質(zhì)量的黃瓜圖形結(jié)構(gòu)泛基因組，闡明了黃瓜馴化過程中基因組染色體核型的演化規(guī)律，鑒定了多個與黃瓜農(nóng)藝性狀和馴化相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)變異，并揭示了重要性狀在馴化和育種改良過程中演化的基因組學(xué)基礎(chǔ)，這為黃瓜重要基因挖掘、野生基因資源利用和分子設(shè)計育種提供了重要信息。

中文標(biāo)題：基于泛基因組作圖揭示了與黃瓜農(nóng)藝性狀和馴化相關(guān)的結(jié)構(gòu)和序列變異

發(fā)表時間：2022.02

發(fā)表期刊：Nature Communications

影響因子：17.694

DOI: 10.1136/gutjnl-2021-326789

1、研究對象

基于前期對黃瓜115份核心種質(zhì)資源的親緣關(guān)系和演化分析（Nature Genetics, 2013），本研究共選取了黃瓜11個種質(zhì)資源，包括2個東亞系（XTMC和Cu2）、3個歐亞系（Cuc37、Gy14和9110gt）、1個西雙版納系（Cuc80）和5個印度系（Cuc64、W4、W8、Hx117和Hx14），收集不同品種黃瓜幼嫩葉片。

2、測序策略

對黃瓜11個種質(zhì)進行了 PacBio 測序，對三個種質(zhì)品系（Cuc37、Cuc80 和 Cuc64）進行了 10X genomics和Hi-C測序。

1、11 個黃瓜種質(zhì)的染色體級別基因組組裝

研究組裝了11個黃瓜種質(zhì)資源基因組，基因組大小從 232.5-251.1 Mb 不等，BUSCO評估結(jié)果為96.4-97.7%，表明組裝結(jié)果在基因區(qū)域內(nèi)的高度完整性。加上黃瓜參考品系9930，作者發(fā)現(xiàn)黃瓜基因組中有2.5-38.5% 是轉(zhuǎn)座子，鑒定到324-531 個完整的長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（LTR-RT）。對 11 個基因組進行基因的預(yù)測，得到 24,490-26,033 個基因，平均基因長度為3182-3302 bp，CDS 長度為1075-1124 bp（表 1）。

2、黃瓜基因組的核型演化

通過比較這12個基因組序列，發(fā)現(xiàn)了在4號、5號和7號染色體上有7個特大DNA片段倒位變異（圖1），這些特大倒位變異只在部分野生材料中存在，并且不同野生材料存在的變異不同，揭示了倒位變異在野生材料馴化中的逐步演化。倒位變異的存在會導(dǎo)致重組抑制進而限制野生資源基因的挖掘和利用，這些特大片段倒位變異的演化歷史為野生材料選擇應(yīng)用提供了重要信息。

3、黃瓜泛基因組

作者構(gòu)建了一個26,822 個非冗余泛基因簇的黃瓜泛基因集，包含 18,651個核心基因和 8171個非核心基因。核心基因占每個種質(zhì)總基因的 80% 以上（圖 2a）。泛基因組大小的模擬表明，當(dāng)加入數(shù)大于或等于9時，基因簇數(shù)的曲線幾乎達到平臺期，進一步表明本研究中采樣的12個黃瓜種質(zhì)的代表性。GO注釋表明，核心基因富集了幾個重要的生物過程，包括大分子修飾、糖基化和磷代謝過程，而生物過程如 DNA 整合、對包括生長素和其他激素在內(nèi)的幾種內(nèi)源性因子的反應(yīng)以及端粒維持富含非核心基因（圖2b, c）。此外，非核心基因比核心基因短，并且表達水平顯著降低（圖 2d, e)。核心基因的非同義/同義替換比（Ka/Ks）顯著低于非核心基因，表明非核心基因可能經(jīng)歷了不太嚴(yán)格的純化選擇（圖2f)。這些結(jié)果共同表明，非核心基因表現(xiàn)出更快的進化速度，并且可能在黃瓜適應(yīng)特定環(huán)境條件方面表現(xiàn)出不同的功能。

4、基于黃瓜泛基因組圖譜的遺傳變異和變異整合

為全面鑒定黃瓜基因組的遺傳變異，該研究建立了12個黃瓜基因組的共線性對應(yīng)關(guān)系，比對共鑒定出290萬個SNP、140萬個小InDels（圖3a-e）和5.6萬個結(jié)構(gòu)變異 (SV)，其中2,624個SV影響了2,712個基因的編碼區(qū)，這些SV在著絲粒周圍表現(xiàn)出明顯較低的密度（圖3f, g）。將SV序列和斷點信息與黃瓜參考基因組圖譜整合，研究人員構(gòu)建了黃瓜圖形結(jié)構(gòu)泛基因組，并對多個農(nóng)藝性狀進行了結(jié)構(gòu)變異的全基因組關(guān)聯(lián)（SV-GWAS）分析，成功鑒定出黃瓜性別決定相關(guān)基因m和F所在基因組區(qū)域，并直接關(guān)聯(lián)到果刺基因CsGL3啟動子區(qū)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變異。

5、黃瓜結(jié)構(gòu)變異對功能的影響

為進一步將潛在的 SV與黃瓜馴化和重要農(nóng)藝性狀的遺傳變異聯(lián)系起來，該研究對黃瓜果刺果瘤、開花時間和根系發(fā)育等性狀進行了深入分析。在已知果瘤關(guān)鍵基因CsTu的外顯子上新發(fā)現(xiàn)了三個結(jié)構(gòu)變異（圖4a, b），可破壞CsTu基因功能影響果瘤，并且對果刺果瘤多個基因在黃瓜115份核心種質(zhì)的遺傳變異進行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn) 4895 bp 缺失存在于 1 個印度栽培種質(zhì)、7 個歐亞種質(zhì)和 5 個東亞種質(zhì)中，而 51bp 缺失是僅在五種印度栽培黃瓜中發(fā)現(xiàn)（圖 4d），揭示了結(jié)構(gòu)變異在果實刺瘤性狀相關(guān)基因中的馴化和育種選擇歷程。

圖4 涉及黃瓜果刺和果瘤發(fā)育的基因中的等位基因變異

開花時間在農(nóng)作物馴化和地理適應(yīng)的過程中發(fā)揮重要作用，黃瓜的野生祖先多開花晚，而馴化的黃瓜大多數(shù)開花早。基于黃瓜泛基因組圖譜，該研究新鑒定出CsFT上游1個44-kb的結(jié)構(gòu)變異，只在2份開花極晚 (~60 d) 的野生黃瓜種質(zhì)中出現(xiàn)，系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系表明這2個野生種質(zhì)可能為其他黃瓜的祖先類型，并提出了CsFT位點在黃瓜馴化和和育種選擇過程中的演化歷程，加深了對黃瓜適應(yīng)性演化機制的理解（圖5）。這些結(jié)果增強了人們對黃瓜馴化和全球輻射過程中 CsFT 基因座進化的理解。

6、與黃瓜馴化相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異

研究確定了 2578 個 SV，位于在黃瓜馴化過程中經(jīng)過選擇的區(qū)域（馴化相關(guān) SV，dSV），同時確定了 8651 個在野生組和栽培組之間表現(xiàn)出顯著頻率變化的 SV（hdSV），部分可能與野生（Cuc64）和栽培（9930）黃瓜之間相鄰基因的表達顯著改變有關(guān)。栽培黃瓜的根系生長速度明顯快于其野生祖先，這可能是人類強烈選擇的結(jié)果。該研究還發(fā)現(xiàn)擬南芥 AT5G09530（PELPK1）的同源物，編碼根發(fā)育的正調(diào)節(jié)因子，被命名為PELPK7.1和PELPK7.2。這兩個基因附近結(jié)構(gòu)變異可能在黃瓜馴化過程根系發(fā)育的改變中起重要作用，而 pINS 和 iINS（Hap1） 可能與這兩個基因的差異表達有關(guān)（圖6）。

本研究基于黃瓜泛基因組的構(gòu)建，在種群規(guī)模上準(zhǔn)確地對SV進行基因分型，促進識別與農(nóng)藝性狀相關(guān)的SV，并幫助闡明可能的選擇或進化過程。本研究不僅為黃瓜基因組和重要性狀的演化提供新見解，而且為黃瓜重要基因挖掘和遺傳育種提供了重要平臺資源和信息，為加速黃瓜育種進入全基因組設(shè)計時代奠定了重要基礎(chǔ)。其方法論和相關(guān)結(jié)果也為甜瓜、西瓜和南瓜等瓜類作物生物學(xué)研究提供重要參考。

參考文獻

Li H, Wang S, Chai S, et al. Graph-based pan-genome reveals structural and sequence variations related to agronomic traits and domestication in cucumber. Nat Commun. 2022 Feb 3;13(1):682. doi: 10.1038/s41467-022-28362-0.

相關(guān)知識

Nature子刊：江鵬/杜文靜合作揭示蘋果酸酶代謝調(diào)控突變體p53蛋白的穩(wěn)定性
Nature子刊：減肥神器，通過光遺傳學(xué)抑制饑餓感，實現(xiàn)減肥
專家點評Nature子刊｜劉興國組揭示線粒體TCA酶入核調(diào)控多能性的全新模式
《Nature》子刊發(fā)布中國科學(xué)家普洱茶研究成果 揭示其降脂機制
Cell子刊：黃勛團隊揭示NAD激酶協(xié)同調(diào)控脂滴和線粒體代謝新機制
Nature子刊：首次性行為、首次生育時間，已經(jīng)寫在了基因里
Nature子刊：浙大團隊揭示植物性飲食與中國老年人死亡的關(guān)聯(lián)
產(chǎn)檢邁向個性化？華大等發(fā)表封面專輯，揭示孕期生化、母子代謝及妊娠期糖尿病的遺傳密碼
Nat Med：基于73萬人遺傳和健康數(shù)據(jù)揭示遺傳風(fēng)險因素對壽命的影響
Nature子刊：超46萬人數(shù)據(jù)揭示“長壽的秘訣”，但有一點要注意

網(wǎng)址: Nature子刊揭示黃瓜農(nóng)藝性狀和馴化遺傳變異 http://www.u1s5d6.cn/newsview468221.html