近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所分子設(shè)計育種團隊與荷蘭瓦赫寧根大學(xué)植物育種組合作，在《Genome Biology》期刊上發(fā)表了題為“Contribution of homoeologous exchange to domestication of polyploid Brassica”的研究論文。該研究首次系統(tǒng)揭示了同源置換（Homoeologous Exchange, HE）在異源多倍體蕓薹屬蔬菜馴化中的關(guān)鍵作用。

      多倍化是植物進化中的重要驅(qū)動力，尤其在蕓薹屬蔬菜（如油菜、芥菜）的物種分化與馴化中發(fā)揮著重要作用。在異源多倍體中，由不同亞基因組之間發(fā)生的同源置換（HE）現(xiàn)象能夠引起基因組結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致基因表達和表型多樣性。然而，HE事件在植物適應(yīng)性和馴化中的具體機制尚不清楚。

圖1 油菜群體HE特征圖譜

      該研究通過對蕓薹屬異源多倍體甘藍型油菜中代表不同形態(tài)類型和生態(tài)型的材料的全基因組重測序數(shù)據(jù)進行分析，解析了HE在甘藍型油菜馴化過程中的作用。結(jié)果表明，HE事件在不同油菜種群和個體中廣泛存在，并且HE事件在近期油菜馴化過程中仍然發(fā)生（圖1）。研究進一步表明，HE事件不僅影響了基因組結(jié)構(gòu)，還與油菜中不同形態(tài)類型和生態(tài)型的性狀多樣性相關(guān)，可能幫助這些作物適應(yīng)不同的環(huán)境和馴化需求（圖2）。研究特別對蕪菁甘藍（Swede）進行了深入研究，組裝了新的參考基因組，確認了HE事件在其基因組中的重要信號。蕪菁甘藍存在大量A基因組片段替換C基因組片段的情況，表明其根膨大的蕪菁祖先A基因組片段替換C基因組相應(yīng)片段可能在根膨大的馴化中發(fā)揮了重要作用。另外，HE事件影響了其開花時間調(diào)控以及根膨大發(fā)育相關(guān)的基因，提示這些HE置換基因組區(qū)域參與了蕪菁甘藍營養(yǎng)發(fā)育以及根塊形成過程。這些發(fā)現(xiàn)為油菜中不同類群的馴化和性狀形成提供了新的見解，也為未來的育種工作帶來了潛在的應(yīng)用價值。此外，HE在另一異源多倍體蕓薹屬物種—芥菜馴化中也觀察到HE事件受到顯著的選擇，表明這一現(xiàn)象在多倍體作物的馴化中具有廣泛的適應(yīng)性和進化意義。

圖2 油菜主要類群HE受選擇信號

      中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計育種團隊和荷蘭瓦赫寧根大學(xué)植物育種組聯(lián)合培養(yǎng)博士王天鵬為該論文的第一作者。王曉武研究員和Guusje Bonnema教授為該論文的共同通訊作者，趙冉澤碩士研究生以及瓦赫寧根大學(xué)生物信息系的Aalt D. J. van Dijk教授參與了該工作。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2021YFF1000104)、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目、蔬菜生物育種全國重點實驗室、荷蘭TKI項目以及國家留學(xué)基金委的資助。

原文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-024-03370-z