基因組分析揭示番茄育種的歷史

林濤，祝光濤，張俊紅，許向陽(yáng)，余慶輝，鄭錚，張忠華，倫堯堯，李帥，王孝宣，黃澤軍，李君明，張春芝，王濤濤，張余洋，王傲雪，張艷聰，林魁，李傳友，熊國(guó)勝2,，薛勇彪，Andrea Mazzucato0, Mathilde Causse, Zhangjun Fei2, James J. Giovannoni2, Roger T. Chetelat, Dani Zamir,

Thomas St?dler15, 李景富4，葉志彪3，杜永臣1，黃三文1,2

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；

2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，深圳 518120；

3. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，教育部園藝植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；

4. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，哈爾濱 150030；

5. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所，烏魯木齊 830091；

6. 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100875；

7. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所，植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；

8. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所，分子發(fā)育生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；

9. 中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所，北京 100101；

10. University of Tuscia, Viterbo 01100, Italy；

11. Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Cedex F-84143, France；

12. Cornell University, New York 14853, USA；

13. University of California, Davis, California 95616, USA；

14. The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot 76100, Israel；

15. Eidgen?ssische Technische Hochschule Zurich, Zurich CH-8092, Switzerland

基因組分析揭示番茄育種的歷史

林濤1,2，祝光濤1，張俊紅3，許向陽(yáng)4，余慶輝5，鄭錚1，張忠華1，倫堯堯1，李帥1，王孝宣1，黃澤軍1，李君明1，張春芝1，王濤濤3，張余洋3，王傲雪4，張艷聰6，林魁6，李傳友7，熊國(guó)勝2,7，薛勇彪8,9，Andrea Mazzucato10, Mathilde Causse11, Zhangjun Fei12, James J. Giovannoni12, Roger T. Chetelat13, Dani Zamir14,

Thomas St?dler15, 李景富4，葉志彪3，杜永臣1，黃三文1,2

1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；

2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，深圳 518120；

3. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，教育部園藝植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；

4. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，哈爾濱 150030；

5. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所，烏魯木齊 830091；

6. 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100875；

7. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所，植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；

8. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所，分子發(fā)育生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；

9. 中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所，北京 100101；

10. University of Tuscia, Viterbo 01100, Italy；

11. Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Cedex F-84143, France；

12. Cornell University, New York 14853, USA；

13. University of California, Davis, California 95616, USA；

14. The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot 76100, Israel；

15. Eidgen?ssische Technische Hochschule Zurich, Zurich CH-8092, Switzerland

林濤(左)，博士研究生；祝光濤(右)，博士研究生。

番茄(Solanum lycopersicum)適應(yīng)性廣，產(chǎn)量高，營(yíng)養(yǎng)豐富，風(fēng)味獨(dú)特，栽培方式多樣，是世界范圍內(nèi)廣泛種植的第一大蔬菜作物。2012年全球產(chǎn)量達(dá)到 1.62億噸(聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì))，產(chǎn)值超過(guò)550億美元。番茄也是植物遺傳、發(fā)育和生理研究的重要模式系統(tǒng)。番茄起源于南美洲的安第斯山脈，隨著人類遷移和馴化逐漸傳到中美洲和墨西哥一代，16世紀(jì)傳到歐洲，在隨后的幾百年中番茄被傳播到世界各地，在這一過(guò)程中受到不同的人工選擇，產(chǎn)生了豐富的變異類型。番茄果實(shí)大小的變化是馴化的一個(gè)重要特征，今天人們食用的大果栽培番茄是由野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium)馴化而來(lái)，野生番茄果實(shí)非常小，只有 1～2 g重，經(jīng)過(guò)人工的長(zhǎng)期馴化，現(xiàn)代栽培番茄的果重是其祖先的100多倍。然而，番茄果實(shí)變大的人工馴化過(guò)程一直未有全面的研究，人類選擇如何改變番茄基因組仍是知之甚少。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了單核苷酸分辨率的番茄變異組圖譜，重建了番茄馴化和育種的基因組歷史，為番茄生物學(xué)研究提供了新的育種工具，也奠定了番茄全基因組設(shè)計(jì)育種的基礎(chǔ)。該研究是繼 2012年完成番茄全基因組序列圖的繪制后取得的另一重大成果，對(duì)番茄基因組的變異展開(kāi)了更為全面和深入的探索。最新研究成果以長(zhǎng)篇幅Article的形式于2014年10月13日在線發(fā)表在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Genetics(自然·遺傳學(xué))雜志上(DOI: 10.1038/ng.3117)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所黃三文課題組、杜永臣課題組，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院葉志彪課題組，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院李景富課題組以及國(guó)內(nèi)外從事番茄研究的多個(gè)團(tuán)隊(duì)，利用 360份番茄種質(zhì)的全基因組重測(cè)序，獲得了1160多萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(SNPs)和 130多萬(wàn)個(gè)插入和刪除(InDels)，構(gòu)建了番茄變異組圖譜。利用全基因組變異組數(shù)據(jù)對(duì)番茄進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)生和群體結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)番茄群體分為3個(gè)亞群，即醋栗番茄、櫻桃番茄(Solanum lycopersicum var cerasiforme)和大果栽培番茄。結(jié)合豐富的表型數(shù)據(jù)和群體遺傳學(xué)分析，證明了野生醋栗番茄進(jìn)化成為櫻桃番茄，最終形成大果栽培番茄的兩步人工選擇過(guò)程，即馴化和改良(圖1)。通過(guò)群體間核苷酸多樣性比較，鑒定了186(64.6 Mb)個(gè)馴化階段和 133(54.5 Mb)個(gè)改良階段受選擇的區(qū)域，結(jié)合控制果實(shí)重量的 QTLs分析，發(fā)現(xiàn) 5個(gè)馴化基因/QTL和13個(gè)改良基因/QTL受到了人類的定向選擇。

番茄在世界各地廣泛的種植，由于不同的消費(fèi)習(xí)慣產(chǎn)生了不同類型的分化。該研究運(yùn)用群體分化分析，首次發(fā)現(xiàn)5號(hào)染色體是鮮食番茄和加工番茄差異的主要基因組區(qū)域，此區(qū)域含有多個(gè)控制番茄可溶性固形物和果實(shí)硬度的QTLs，這些基因賦予了加工番茄顯著的特征。粉果番茄是廣受消費(fèi)者所喜歡的鮮食番茄，本研究通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)，鑒定了影響果皮顏色變化的關(guān)鍵變異位點(diǎn)，即SlMYB12基因啟動(dòng)子區(qū)域的603 bp缺失，進(jìn)而抑制該基因的表達(dá)，從而使得成熟的粉果番茄果皮中不能積累類黃酮。這一發(fā)現(xiàn)為培育我國(guó)北方消費(fèi)者偏好的粉果番茄品種提供了有效的分子育種工具。

由于栽培番茄遺傳背景狹窄，在現(xiàn)代的番茄育種中，野生種質(zhì)資源被廣泛地應(yīng)用，通過(guò)基因組比較分析，準(zhǔn)確地界定了栽培番茄基因組中野生漸滲片段的位置和長(zhǎng)度，為番茄雜交育種提供了重要的理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì) 360份番茄基因組分析發(fā)現(xiàn)，番茄的馴化和野生資源的利用共導(dǎo)致約 25%(200 Mb)的基因組區(qū)域幾乎被固定，這嚴(yán)重限制了番茄的進(jìn)一步改良。因此，通過(guò)變異組突破這些限制將是番茄育種改良的新途徑。

圖1 番茄果實(shí)變大的兩個(gè)進(jìn)化階段從左到右分別為醋栗番茄、櫻桃番茄和大果栽培型番茄。

林濤、祝光濤、張俊紅、許向陽(yáng)、余慶輝、鄭錚為共同第一作者。

黃三文(E-mail: huangsanwen@caas.cn)、杜永臣(E-mail: duyongchen@caas.cn)、葉志彪(E-mail: zbye@mail.hzau.edu.cn)、李景富(E-mail: lijf_2005@126.com)為共同通訊作者。