栽培种花生基因组揭示了豆科植物的核型、多倍体进化和作物

我所作为共同通讯作者单位的研究成果《花生品种基因组揭示豆科植物的核型、多倍体进化和作物驯化》于2019年5月1日发表在国际学术权威刊物英国《自然遗传学》（ ）上。 ) 在线发布。本研究在国际上首次破译了四倍体品种花生全基因组，标志着我国对花生品种基因组、花生染色体的起源、花生和豆科植物主要群落的发散时间和核型进化、结构等方面的研究。花生基因组。变异和分子育种研究处于国际领先水平。

该研究由福建农林大学庄卫健教授牵头，组织22个研究所完成。我院院长王锡印课题组负责比较和进化基因组学分析，揭示栽培品种花生和二倍体花基因组的基因共线性，重构花生和豆科植物的染色体进化史，阐明相互间的关系。亚基因组优势和排列不平衡。这一成果为世界花生遗传改良做出了里程碑式的贡献，对我国乃至世界农业基础研究具有重要意义，确立了我国在花生基础生物学研究方面的领先地位。

花生是世界上最重要的油料作物和大宗作物之一，也是最具影响力的豆科作物之一。世界上种植花生的国家有106个，年种植面积2500万公顷。我国是世界上最大的花生国家，种植面积超过7500万亩，产量1700万吨，约占世界总产量的40%，占全国油料作物总产量的近50% （不包括大豆）。1200亿元，居全国农作物第四位（仅次于水稻、小麦、玉米）。唐山市是我国花卉主产区。所辖的滦州市素有中国花生之乡和中国油料生产基地的美誉。2018年花生种植面积达到23万亩。

来自印度福建农林大学（国际半干旱热带作物研究所）的王希银、庄卫健和明瑞光为该论文的共同通讯作者。王金鹏、王振毅、研究生于继高、袁嘉庆、孙鹏川、孟凡波、赵宇豪参与了相关研究工作，王金鹏负责研究的具体组织。

《自然遗传学》是英国《自然》系列期刊之一。它发表国际遗传学研究的最新发现和主要成果。世界顶级权威学术期刊之一，2018年影响因子27.125。

我院研究成果介绍

首次全面揭示了花生等豆科植物栽培花生基因组的染色体起源、核型进化和结构变异。

揭示栽培花生B亚基因组与二倍体A.序列更相似，在基因保留、基因转换和染色体进化方面更稳定。对栽培品种和二倍体A、B的相应染色体进行分段比对发现，B、B亚基因组的序列相似性显着高于A、A亚基​​因组，且至少有6个亚基因组A、B在四倍体染色体间重组后发生，在其中 Chr03 和 Chr13 染色体下臂末端发生 10Mb 染色体片段易位。

揭示了栽培品种花生等重要豆科植物的染色体起源和核型进化，发现花生染色体的进化路径独立于其他豆科植物。花生染色体的进化极其复杂。我们使用“Top-down”来比较葡萄和豆类，“-up”来比较豆类和其他豆科植物的基因共线性。我们发现双子叶植物六倍体产生的21条染色体经过融合产生16个豆子。家族基础染色体，通过LCT倍增为32条染色体，然后通过重组恢复为16条豆科植物祖先染色体（称为Lu）。我们重构了鲁氏祖先染色体的基本遗传结构，比较了花生和鲁氏基因的共线性，发现A1、A3、A4、A5、花生的A6和A7染色体是在“Lu”的基础上通过6次融合产生的，A2、A8、A9和A10是通过“Lu”的两个染色体交换产生的。与A基因组分离后，B基因组在7号和8号染色体之间进行交叉，产生新的7号和8号染色体（这就是A和B（亚）基因组比较中染色体交换的原因）；然后将A和B染色体自然杂交并四倍体化以产生四倍体栽培品种花生。这种独立的染色体进化可能与花生的地下结果和独特的固氮特性有关。B 基因组在 7 号和 8 号染色体之间进行交叉以产生新的 7 号和 8 号染色体（这就是 A 和 B（亚）基因组比较中染色体交换的原因）；然后将A和B染色体自然杂交并四倍体化以产生四倍体栽培品种花生。这种独立的染色体进化可能与花生的地下结果和独特的固氮特性有关。B 基因组在 7 号和 8 号染色体之间进行交叉以产生新的 7 号和 8 号染色体（这就是 A 和 B（亚）基因组比较中染色体交换的原因）；然后将A和B染色体自然杂交并四倍体化以产生四倍体栽培品种花生。这种独立的染色体进化可能与花生的地下结果和独特的固氮特性有关。

深入揭示栽培花生的起源、物种进化和驯化。

揭示栽培花生起源于42万至47万年前，否认栽培花生起源于6600年前。人们认为栽培花生的起源不到一万年。通过计算二倍体和四倍体A和B基因组之间所有共线等位基因对的同义碱基置换率Ks，发现A、B（亚置换）基因组在150万年前分离，而A和A亚基因组和 B 和 B 亚基因组分别在 470,000 和 420,000 年前分开。对 41 个单拷贝基因的计算得出了相似的结果。这更正了有关栽培花生起源于 6,600 年前以及人类参与栽培花生起源的报道。

同时揭示了花生基因组含量的变化及其与种子大小、抗病性、油脂代谢和固氮的关系。

相关背景及成就概述

随着高油酸花生的出现，花生将提供与橄榄油和茶籽油相同或更好的散装食用油和更优质的食品。花生产业将面临前所未有的广阔发展前景。但由于四倍体品种花生基因组大、结构复杂，研究难度大；基础生物学研究、重要基因精细定位和功能鉴定、花生分子遗传育种和生物技术研究落后，长期影响产业发展。该研究成果将为这些领域的研究提供重要资源和技术支持，极大地促进花生分子遗传改良和产业升级的发展。

栽培品种花生基因组是由两个密切相关的基因组进化而来的节段异源四倍体，从未被破译。该项目在国际上率先完成并发表了优质品种花生全基因组序列和精细结构框架，并准确注释到非冗余等位基因水平；在此基础上，全面深入地比较了花生和其他豆科植物双子叶植物葡萄的物种和基因组，揭示了花生等花生品种的染色体起源、核型进化、分歧时间以及基因组结构的变化。豆科植物花生的育种方法，重构花生和豆科植物染色体数量和结构变化的复杂过程，并发现花生核型直接从豆科的祖先染色体进化而来，为解释花生物种独特生物学性状的进化提供了遗传基础。栽培花生翻两番后，种子大小、抗病性、产油量等发生了很大变化。该项目在全基因组范围内揭示了栽培花生基因含量的变化，并分析了种子大小、抗病性、油脂代谢和油脂代谢。特殊固氮特性与基因含量和序列进化的关系。该研究系统地讨论了栽培花生的物种起源、进化和驯化，证明测序的野生种A.不是栽培花生A的亚基因供体。栽培花生两个品种和亚种是独立驯化形成的。，特别提出了花生进化新理论花生的育种方法，将为花生遗传改良提供理论指导。开花种子的主要目标是高产、优质、抗逆。本研究首次通过基因组精细定位获得了决定花生种子大小和种皮颜色的基因，以及花生抗晚斑病和锈病的R基因簇。该突变产生了具有双基因隐性突变高油酸的新材料。因此，这一成果在基因组解决花生重要科学问题的实践中也取得了重大突破。对花生的基础和应用研究将起到巨大的推动作用。使花生全基因组选育、精准育种和大规模基因组编辑成为可能，可大大提高花生遗传改良的效率，培育出高产、优质、抗病、安全的新品种。研究表明，花生基因组还可作为双子叶植物的重要参考基因组，研究双子叶植物和豆科植物的起源、进化和物种多样性。