近日，北京市農林科學院劉凡研究員團隊，聯合江蘇農科院及美國和荷蘭的科學家，在生物學領域重要刊物《BMC Biology》上在線發表了題為“Genome sequencing sheds light on the contribution of structural variants to Brassica oleracea diversification”的研究論文（Guo et al., 2021）。發布了花椰菜和牛心型結球甘藍的高質量基因組，首次報道了花椰菜與結球甘藍兩個變種基于高質量參考基因組以及重測序群體的全基因組結構變異信息，揭示了結構變異與甘藍種內遺傳-表型分化的重要相關性，以及影響花椰菜花球形成的可能生物學途徑與重要調控基因。研究成果有利于推動甘藍種的分子遺傳研究及分子育種。
甘藍（Brassica oleracea）為十字花科蕓薹屬的一個二倍體基本種，是世界性的重要蔬菜類群，包括結球甘藍、花椰菜、青花菜、苤藍、芥蘭、抱子甘藍、羽衣甘藍等多個變種，具有非常豐富的形態多樣性和各異的食用產品器官。隱藏在表型多樣性背后的基因組變異信息，長期吸引著研究及育種者的興趣。然而，全基因組結構變異（structural variants），特別是大的 SV 對甘藍種內變種分化以及特異表型形成的作用研究很少，很多問題仍然未知。
本研究中，研究者利用第三代單分子實時測序（PacBio SMRT）結合光學物理圖譜（BioNano）和染色質構象（Hi-C）等技術，成功組裝獲得了花椰菜（Korso）和牛心型結球甘藍（OX-heart）染色體水平的高質量參考基因組（N50分別為 4.97Mb 和 3.10Mb；分別有99%和 95.3%的組裝序列錨定到染色體上），并更好地解析了編碼基因和重復序列的注釋信息。研究發現花椰菜和結球甘藍均發生了兩次明顯的長末端轉座子（LTR）插入事件，而白菜（B. rapa）只發生了一次。基因家族和單拷貝同源基因分析表明甘藍與花椰菜和青花菜共同祖先的分化大約發生在 168 萬年前。
在高質量參考基因組組裝、注釋的基礎上，綜合利用多手段對比分析，在 Korso 和 OX-heart 基因組間共獲得約 12 萬個結構變異。進一步分析這些結構變異在 271 份甘藍種重測序材料中的基因型，發現SV構建的甘藍種群體結構和親緣關系與SNP的分析結果高度一致，說明了SV鑒定結果可信度高，能反映出不同變種間的遺傳差異性。為了進一步解析這些SVs在表型分化上的意義，研究者篩選出了在花椰菜與結球甘藍變種間受到顯著選擇的結構變異（Selected-SVs）49,904 個。分析發現，受選擇結構變異影響的基因主要在細胞分化、細胞周期、細胞發育和花發育等生物途徑上富集。該結果為解析花椰菜和結球甘藍的表型分化和特異器官形成提供了重要的數據基礎。
最后，研究者結合Selected-SVs影響的基因和花椰菜花球發育轉錄組數據，鑒定出一批與花球發育相關的候選基因，初步揭示了FLC、WUS、CAL、SVP、ARL2 等基因在花球形成和發育不同階段的重要作用，并提出了相應的花球發育分子網絡。
基因組結構變異可引起順式調節區域的大規模變動，更可能改變基因表達水平和影響表型，在植物進化和農業性狀形成中起到非常重要的作用。本研究成果對甘藍種蔬菜遺傳多樣性產生和特異器官形態建成分子機制的解析、性狀關鍵調控基因的功能研究和分子設計育種等具有重要的科學和應用價值。
本院蔬菜中心郭寧副研究員、江蘇省農科院蔬菜所王神云研究員、中科院武漢植物園高磊研究員和未來組劉永銘為該論文并列第一作者；荷蘭瓦赫寧根大學 Guusje Bonnema 教授、江蘇省農科院蔬菜所李建斌研究員、美國博伊湯普森研究所費章君教授和蔬菜中心劉凡研究員為共同通訊作者，北京市農林科學院為論文第一單位。本研究得到了北京市農林科學院院長基金、國際合作基金、創新能力建設項目和海培計劃，以及國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的資助。
蔬菜研究中心該課題組近年來以花椰菜為重點，先后開展了雙單倍體、體細胞遠緣雜交、基因編輯等細胞與基因工程育種技術和種質創新研究，后續將在本研究基礎上，針對花椰菜花球形成的產量及品質調控開展進一步的工作。
附件： 蔬菜中心生物技術室研究論文介紹稿5.8(3).docx
日期：2021-05-11
甘藍（Brassica oleracea）為十字花科蕓薹屬的一個二倍體基本種，是世界性的重要蔬菜類群，包括結球甘藍、花椰菜、青花菜、苤藍、芥蘭、抱子甘藍、羽衣甘藍等多個變種，具有非常豐富的形態多樣性和各異的食用產品器官。隱藏在表型多樣性背后的基因組變異信息，長期吸引著研究及育種者的興趣。然而，全基因組結構變異（structural variants），特別是大的 SV 對甘藍種內變種分化以及特異表型形成的作用研究很少，很多問題仍然未知。
本研究中，研究者利用第三代單分子實時測序（PacBio SMRT）結合光學物理圖譜（BioNano）和染色質構象（Hi-C）等技術，成功組裝獲得了花椰菜（Korso）和牛心型結球甘藍（OX-heart）染色體水平的高質量參考基因組（N50分別為 4.97Mb 和 3.10Mb；分別有99%和 95.3%的組裝序列錨定到染色體上），并更好地解析了編碼基因和重復序列的注釋信息。研究發現花椰菜和結球甘藍均發生了兩次明顯的長末端轉座子（LTR）插入事件，而白菜（B. rapa）只發生了一次。基因家族和單拷貝同源基因分析表明甘藍與花椰菜和青花菜共同祖先的分化大約發生在 168 萬年前。
在高質量參考基因組組裝、注釋的基礎上，綜合利用多手段對比分析，在 Korso 和 OX-heart 基因組間共獲得約 12 萬個結構變異。進一步分析這些結構變異在 271 份甘藍種重測序材料中的基因型，發現SV構建的甘藍種群體結構和親緣關系與SNP的分析結果高度一致，說明了SV鑒定結果可信度高，能反映出不同變種間的遺傳差異性。為了進一步解析這些SVs在表型分化上的意義，研究者篩選出了在花椰菜與結球甘藍變種間受到顯著選擇的結構變異（Selected-SVs）49,904 個。分析發現，受選擇結構變異影響的基因主要在細胞分化、細胞周期、細胞發育和花發育等生物途徑上富集。該結果為解析花椰菜和結球甘藍的表型分化和特異器官形成提供了重要的數據基礎。
最后，研究者結合Selected-SVs影響的基因和花椰菜花球發育轉錄組數據，鑒定出一批與花球發育相關的候選基因，初步揭示了FLC、WUS、CAL、SVP、ARL2 等基因在花球形成和發育不同階段的重要作用，并提出了相應的花球發育分子網絡。
基因組結構變異可引起順式調節區域的大規模變動，更可能改變基因表達水平和影響表型，在植物進化和農業性狀形成中起到非常重要的作用。本研究成果對甘藍種蔬菜遺傳多樣性產生和特異器官形態建成分子機制的解析、性狀關鍵調控基因的功能研究和分子設計育種等具有重要的科學和應用價值。
本院蔬菜中心郭寧副研究員、江蘇省農科院蔬菜所王神云研究員、中科院武漢植物園高磊研究員和未來組劉永銘為該論文并列第一作者；荷蘭瓦赫寧根大學 Guusje Bonnema 教授、江蘇省農科院蔬菜所李建斌研究員、美國博伊湯普森研究所費章君教授和蔬菜中心劉凡研究員為共同通訊作者，北京市農林科學院為論文第一單位。本研究得到了北京市農林科學院院長基金、國際合作基金、創新能力建設項目和海培計劃，以及國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的資助。
蔬菜研究中心該課題組近年來以花椰菜為重點，先后開展了雙單倍體、體細胞遠緣雜交、基因編輯等細胞與基因工程育種技術和種質創新研究，后續將在本研究基礎上，針對花椰菜花球形成的產量及品質調控開展進一步的工作。
附件： 蔬菜中心生物技術室研究論文介紹稿5.8(3).docx
日期：2021-05-11
