菠菜為雌雄異株植物，少數表現為雌雄同株，是研究植物性別決定及性染色體進化的理想蔬菜作物。菠菜基因組序列以及遺傳變異的研究能夠促進菠菜重要農藝性狀相關基因的鑒定和利用。相比于序列較短的變異類型（SNP，Indel），序列較長的結構變異（SV）能夠捕獲更多的遺傳信息，對重要農藝性狀的影響更為顯著。然而，目前結構變異在菠菜中研究較少，抑制了菠菜重要農藝性狀相關基因的快速挖掘。
近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所菠菜遺傳育種課題組錢偉團隊在國際知名期刊Plant Biotechnology Journal上發表了題為“Pan-genome analysis of 13 Spinacia accessions reveals structural variations associated with sex chromosome evolution and domestication traits in spinach”的研究論文，該研究首次構建了菠菜泛基因組，挖掘了重要的結構變異，并揭示其在性染色體進化和菠菜馴化中的作用。這為深入研究菠菜性染色體進化，挖掘重要農藝性狀相關基因，定向培育優質菠菜品種奠定基礎。
該研究基于前期的150份菠菜種質資源的親緣關系，篩選出12份代表性材料，包括7個栽培種，2與其親緣關系更近的野生種S. turkestanica（分化時間～0.8百萬年前）和3個親緣關系更遠的野生種 S. tetrandra（分化時間～6.3百萬年前）。結合前人發表的菠菜參考基因組，該研究利用13個菠菜參考基因組構建了泛基因組，共鑒定到28,726個基因家族，其中36.95%為核心基因家族，1.07%為私有基因家族。
比較13個菠菜基因組序列，共鑒定到193,661個泛結構變異（pan-SV），其中43.65%為插入，37.24%為缺失。群體分析發現，pan-SV可以將455份菠菜材料分為3個亞群，分別為野生種S. tetrandra, 野生種S. turkestanica以及栽培種，其中栽培種又可以分為亞洲類型和歐洲類型，以上結果表明SV與菠菜物種分化密切相關。此外，pan-SV有助于我們理解菠菜進化方向，例如，我們發現一個與菠菜性別緊密連鎖的260 bp缺失，但實則該片段在菠菜進化中是X染色體上的一個插入。
性染色體進化過程中，Y（W）染色體往往會發生退化現象，如基因表達降低、丟失，甚至導致Y染色體變短（如人類Y染色體）。本研究發現菠菜性染色體進化中，SV傾向于發生在Y染色體，同時Y染色體基因表達趨勢低于其X染色體上的等位基因。以上結果表明SV可能降低Y染色體基因表達，促進菠菜Y染色體的退化。
此外，該研究還挖掘到了大量受選擇的SV可能參與菠菜重要農藝性狀的馴化，比如，葉緣類型、開花時間、種子休眠等。此外，與SNP相比較，SV能夠捕獲更多的遺傳信息，且在基因組選擇育種中具有較高的準確率。總之，該研究不僅為菠菜性染色體進化提供新見解，同時為挖掘菠菜重要農藝性狀相關基因，加快菠菜分子設計育種奠定重要基礎。
中國農業科學院蔬菜花卉研究所折紅兵助理研究員、劉志遠研究員為本文的共同第一作者；中國農業科學院蔬菜花卉研究所錢偉研究員、王曉武研究員為本文的共同通訊作者。中國農業科學院蔬菜花卉研究所徐兆生研究員，張合龍副研究員，程鋒研究員以及武劍研究員也參與了本研究。本研究得到了蔬菜生物育種全國重點實驗室、基本科研業務費（IVF-BRF2023002）、中國農業科學院青年創新專項（Y2023QC07）、中國農業科學院科技創新工程項目（CAAS-ASTIP-IVFCAAS）以及現代農業產業技術體系項目（CARS-23-A-17）的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14433
日期：2024-08-12
近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所菠菜遺傳育種課題組錢偉團隊在國際知名期刊Plant Biotechnology Journal上發表了題為“Pan-genome analysis of 13 Spinacia accessions reveals structural variations associated with sex chromosome evolution and domestication traits in spinach”的研究論文，該研究首次構建了菠菜泛基因組，挖掘了重要的結構變異，并揭示其在性染色體進化和菠菜馴化中的作用。這為深入研究菠菜性染色體進化，挖掘重要農藝性狀相關基因，定向培育優質菠菜品種奠定基礎。
該研究基于前期的150份菠菜種質資源的親緣關系，篩選出12份代表性材料，包括7個栽培種，2與其親緣關系更近的野生種S. turkestanica（分化時間～0.8百萬年前）和3個親緣關系更遠的野生種 S. tetrandra（分化時間～6.3百萬年前）。結合前人發表的菠菜參考基因組，該研究利用13個菠菜參考基因組構建了泛基因組，共鑒定到28,726個基因家族，其中36.95%為核心基因家族，1.07%為私有基因家族。
比較13個菠菜基因組序列，共鑒定到193,661個泛結構變異（pan-SV），其中43.65%為插入，37.24%為缺失。群體分析發現，pan-SV可以將455份菠菜材料分為3個亞群，分別為野生種S. tetrandra, 野生種S. turkestanica以及栽培種，其中栽培種又可以分為亞洲類型和歐洲類型，以上結果表明SV與菠菜物種分化密切相關。此外，pan-SV有助于我們理解菠菜進化方向，例如，我們發現一個與菠菜性別緊密連鎖的260 bp缺失，但實則該片段在菠菜進化中是X染色體上的一個插入。
性染色體進化過程中，Y（W）染色體往往會發生退化現象，如基因表達降低、丟失，甚至導致Y染色體變短（如人類Y染色體）。本研究發現菠菜性染色體進化中，SV傾向于發生在Y染色體，同時Y染色體基因表達趨勢低于其X染色體上的等位基因。以上結果表明SV可能降低Y染色體基因表達，促進菠菜Y染色體的退化。
此外，該研究還挖掘到了大量受選擇的SV可能參與菠菜重要農藝性狀的馴化，比如，葉緣類型、開花時間、種子休眠等。此外，與SNP相比較，SV能夠捕獲更多的遺傳信息，且在基因組選擇育種中具有較高的準確率。總之，該研究不僅為菠菜性染色體進化提供新見解，同時為挖掘菠菜重要農藝性狀相關基因，加快菠菜分子設計育種奠定重要基礎。
中國農業科學院蔬菜花卉研究所折紅兵助理研究員、劉志遠研究員為本文的共同第一作者；中國農業科學院蔬菜花卉研究所錢偉研究員、王曉武研究員為本文的共同通訊作者。中國農業科學院蔬菜花卉研究所徐兆生研究員，張合龍副研究員，程鋒研究員以及武劍研究員也參與了本研究。本研究得到了蔬菜生物育種全國重點實驗室、基本科研業務費（IVF-BRF2023002）、中國農業科學院青年創新專項（Y2023QC07）、中國農業科學院科技創新工程項目（CAAS-ASTIP-IVFCAAS）以及現代農業產業技術體系項目（CARS-23-A-17）的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14433
日期：2024-08-12
