油菜泛基因組研究取得新進(jìn)展

關(guān)志林

1月13日，Nature Plants刊發(fā)了作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室油菜遺傳改良研究團(tuán)隊(duì)與生物信息團(tuán)隊(duì)合作的最新研究成果“Eight high-quality genomes reveal pan-genome architecture and ecotype differentiation of Brassica napus”。該研究發(fā)布了8個(gè)代表三種油菜生態(tài)型的高質(zhì)量基因組，并以此為基礎(chǔ)解析了油菜生態(tài)型分化的遺傳和分子基礎(chǔ)。該研究是油菜基因組研究領(lǐng)域的又一重大進(jìn)展，對(duì)油菜功能基因組研究和遺傳改良具有重要意義。

油菜是世界第三大油料作物，提供全球13%～16%的食用植物油。約7500年前，地中海地區(qū)出現(xiàn)白菜和甘藍(lán)自然雜交產(chǎn)生的甘藍(lán)型油菜。20世紀(jì)被引入中國(guó)、澳大利亞和北美后，甘藍(lán)型油菜在自然和人工選擇下經(jīng)歷了適應(yīng)性變化并逐步形成三種不同生態(tài)型（冬性油菜、半冬性油菜和春性油菜）。油菜是異源四倍體作物，具有復(fù)雜的基因組，已發(fā)布油菜參考基因組的質(zhì)量和代表性不足以滿足油菜功能基因組學(xué)研究和遺傳改良的需求。因此，研究者通過(guò)整合PacBio測(cè)序、Illumina測(cè)序、Hi-C技術(shù)和Bionano光學(xué)圖譜的數(shù)據(jù)，對(duì)8個(gè)代表性甘藍(lán)型油菜進(jìn)行了組裝和注釋。其中ZS11 Contig N50超過(guò)3.1 Mb，是目前最完整的油菜參考基因組。為了研究人員更方便地利用多個(gè)基因組，研究者以共線性直系同源基因?yàn)榧~帶首次構(gòu)建了油菜種內(nèi)索引Gene Index。通過(guò)比較基因組學(xué)方法，研究者繪制了8個(gè)基因組的綜合變異圖譜，包括單堿基多態(tài)性（SNP），插入/缺失（InDel），存在/缺失變異（PAV）和同源交換（HE）等，這些變異對(duì)油菜至少9.4%的編碼基因產(chǎn)生了大效應(yīng)影響。從PAV序列集和gene clusters兩個(gè)角度描繪的油菜泛基因組和核心基因組架構(gòu)為功能基因研究和遺傳育種提供了新的重要資源。

隨著基因組質(zhì)量的提高，越來(lái)越多的研究表明，PAV對(duì)植物性狀的影響比SNP更大，而傳統(tǒng)基于SNP的性狀關(guān)聯(lián)分析（SNP-GWAS）對(duì)參考基因組缺失區(qū)域難以分析。為了探究PAV對(duì)性狀變異的貢獻(xiàn)，研究者在BN-NAM群體中鑒定了個(gè)體的PAV基因型，利用基于PAV的性狀關(guān)聯(lián)分析（PAV-GWAS）策略對(duì)于三個(gè)產(chǎn)量相關(guān)的性狀進(jìn)行了主效基因檢測(cè)，準(zhǔn)確鑒定到了引起基因功能變異的PAV。基于泛基因組資源，該研究鑒定了不同生態(tài)型油菜基因組中三個(gè)FLC的特異性基因型和PAVs。其中BnaA10.FLC決定了油菜生態(tài)類型，是控制油菜開花的關(guān)鍵基因;BnaA02.FLC及BnaC02.FLC的PAV和拷貝數(shù)變異（CNV）微調(diào)各生態(tài)類型油菜品種的開花期。另一方面，該研究提出了SNP-GWAS和PAV-GWAS相結(jié)合的策略，并在不同重要性狀分析中成功應(yīng)用，表明群體PAV基因型表征將會(huì)成為助力植物功能基因研究的新手段。

（來(lái)源：華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院）