文(wen)章信息

文章題(ti)目：Pangenome analysis reveals structural variation associated with seed size and weight traits in peanut

中文題(ti)目：泛(fan)基因組(zu)分析揭示(shi)與(yu)花生(sheng)種(zhong)子(zi)大小和重量相關的結構變異

發表期刊：Nature Genetics

影(ying)響(xiang)因子：29

發表(biao)時間：2025年4月

涉及方法：基(ji)因(yin)組Denovo+全基(ji)因(yin)組測序+GWAS分析

摘要

花生（Arachis hypogaea L.）是一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)重要的(de)油(you)料和(he)食用豆類(lei)作物，種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)大(da)小(xiao)(xiao)和(he)重量(liang)是馴(xun)(xun)化和(he)育種(zhong)(zhong)(zhong)中(zhong)(zhong)的(de)關鍵(jian)性狀。然而，目前(qian)對于種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)大(da)小(xiao)(xiao)和(he)重量(liang)的(de)基(ji)(ji)(ji)因組重排（如結構變異，SVs）的(de)了解仍然有限。本研(yan)究通過泛基(ji)(ji)(ji)因組分析，整(zheng)合了八個(ge)(ge)高質(zhi)(zhi)量(liang)基(ji)(ji)(ji)因組（包括(kuo)兩(liang)種(zhong)(zhong)(zhong)野生二(er)倍(bei)體、兩(liang)種(zhong)(zhong)(zhong)野生四倍(bei)體和(he)四種(zhong)(zhong)(zhong)栽(zai)培四倍(bei)體花生）以及269份不(bu)同種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)大(da)小(xiao)(xiao)的(de)重測序數據，鑒(jian)定出(chu)(chu)22,222個(ge)(ge)核心(xin)或軟核心(xin)基(ji)(ji)(ji)因家(jia)族、22,232個(ge)(ge)分布基(ji)(ji)(ji)因家(jia)族和(he)5,643個(ge)(ge)私有基(ji)(ji)(ji)因家(jia)族。研(yan)究發現，A亞基(ji)(ji)(ji)因組中(zhong)(zhong)的(de)SV頻率高于B亞基(ji)(ji)(ji)因組，并鑒(jian)定出(chu)(chu)1,335個(ge)(ge)與馴(xun)(xun)化相關的(de)SVs和(he)190個(ge)(ge)與種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)大(da)小(xiao)(xiao)或重量(liang)相關的(de)SVs。這一(yi)高質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)泛基(ji)(ji)(ji)因組為花生及其(qi)他豆類(lei)作物的(de)遺傳改良提供了基(ji)(ji)(ji)礎資源。

研究背(bei)景

花(hua)生（Arachis hypogaea L.）是一種(zhong)(zhong)重(zhong)要的(de)(de)油料和(he)食用豆類(lei)作物，其種(zhong)(zhong)子(zi)富含油脂(zhi)和(he)蛋(dan)白質，廣泛用于食品(pin)工(gong)業和(he)食用油生產。種(zhong)(zhong)子(zi)大小和(he)重(zhong)量是花(hua)生馴化和(he)育種(zhong)(zhong)過程(cheng)中的(de)(de)關鍵性(xing)狀，直接(jie)影響(xiang)花(hua)生的(de)(de)產量和(he)經(jing)濟價值(zhi)。在馴化過程(cheng)中，花(hua)生從野生種(zhong)(zhong)的(de)(de)小果品(pin)種(zhong)(zhong)被選擇性(xing)地培育為現代的(de)(de)大果品(pin)種(zhong)(zhong)。然而，目前對于控(kong)制(zhi)這些性(xing)狀的(de)(de)分子(zi)機制(zhi)和(he)基(ji)因組(zu)重(zhong)排（如(ru)結構變異，SVs）的(de)(de)了解仍然有(you)限(xian)。以往(wang)的(de)(de)研究(jiu)主(zhu)要集(ji)中在SNPs（單核苷(gan)酸(suan)多態性(xing)）和(he)小片段插入/缺失（indels）上，但對于大尺度的(de)(de)基(ji)因組(zu)重(zhong)排（如(ru)SVs）的(de)(de)研究(jiu)相(xiang)對較少。這些SVs可能(neng)對種(zhong)(zhong)子(zi)大小和(he)重(zhong)量的(de)(de)調控(kong)起(qi)重(zhong)要作用。

花生(sheng)是(shi)一(yi)種(zhong)異(yi)源四倍(bei)體(ti)(ti)作物(wu)，其基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)復雜，包含(han)大量(liang)的(de)重復序(xu)列和多(duo)倍(bei)體(ti)(ti)特(te)性。目前可用的(de)花生(sheng)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)資源仍然存在許多(duo)缺口，高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)資源相對匱乏。這主要是(shi)由(you)于多(duo)倍(bei)體(ti)(ti)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)的(de)組(zu)(zu)(zu)裝和注釋難度較大。為了(le)更好(hao)地探索(suo)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)變異(yi)，需要高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)資源來覆(fu)蓋不(bu)同(tong)種(zhong)群的(de)花生(sheng)。泛(fan)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)（pangenome）通過整合來自(zi)不(bu)同(tong)個體(ti)(ti)或種(zhong)群的(de)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)數據，提供了(le)一(yi)個全面的(de)視(shi)角來更深(shen)入地理解物(wu)種(zhong)或種(zhong)群的(de)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)(zu)結構和功能多(duo)樣性。

研究結果(guo)

1、269份具有(you)不同種子大小材(cai)料的遺傳(chuan)多樣性分析(xi)

對269份(fen)(fen)具有不同(tong)種(zhong)子大(da)小的(de)花生材(cai)料進(jin)行(xing)了全基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)重測序（總數據量約(yue)8 TB），系統評估其遺傳多樣性和群體(ti)(ti)(ti)結構。這些材(cai)料涵蓋32份(fen)(fen)AA二倍(bei)體(ti)(ti)(ti)野生種(zhong)、8份(fen)(fen)AABB四倍(bei)體(ti)(ti)(ti)野生種(zhong)、155份(fen)(fen)AABB四倍(bei)體(ti)(ti)(ti)地(di)方種(zhong)、67份(fen)(fen)AABB四倍(bei)體(ti)(ti)(ti)改良品(pin)種(zhong)和7份(fen)(fen)未分類樣本。共獲得(de)5,989,854個(ge)(ge)高質量SNP位點（AA亞基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)：5,048,032個(ge)(ge)；BB亞基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)：941,822個(ge)(ge)）。研究(jiu)發現，AA二倍(bei)體(ti)(ti)(ti)野生種(zhong)的(de)多樣性最高（π=8.57×10??），而BB二倍(bei)體(ti)(ti)(ti)野生種(zhong)顯(xian)著較低（π=5.69×10??）；在(zai)四倍(bei)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)，BB亞基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)多樣性均(jun)高于A亞基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)，如AABB地(di)方種(zhong)在(zai)B亞基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)上π=1.46×10??，高于A亞基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)的(de)π=1.17×10??，顯(xian)示出B亞基(ji)(ji)因組(zu)(zu)(zu)在(zai)栽培花生中(zhong)保留更多遺傳變(bian)異。

圖1 269份野生(sheng)和栽培花生(sheng)種質的遺傳多樣性

2、構建具有多樣莢果大小的高質量花生泛基因組(zu)

通過整合8個(ge)(ge)代(dai)表(biao)性(xing)(xing)花生材料的(de)高質(zhi)量基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)，構建(jian)了一個(ge)(ge)結(jie)構完整、功能豐富(fu)的(de)泛基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)系(xi)統。其中，6個(ge)(ge)新(xin)(xin)組(zu)裝基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)使用Nanopore、HiFi和(he)Hi-C技術，組(zu)裝質(zhi)量顯著(zhu)提(ti)升，scaffold N50達(da)134–148 Mb，BUSCO完整性(xing)(xing)高達(da)98.6–99.4%。泛基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)共識(shi)別50,097個(ge)(ge)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)家族(zu)。新(xin)(xin)組(zu)裝基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)平均擁有約37,000個(ge)(ge)家族(zu)，顯著(zhu)多于以往的(de)30,000個(ge)(ge)（P<0.001），其中1,086個(ge)(ge)新(xin)(xin)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)具高表(biao)達(da)證據，證明其生物學功能的(de)可靠性(xing)(xing)。核心和(he)軟核心基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)在結(jie)構上更長、表(biao)達(da)量更高、受選擇壓力更強（P<0.001），廣泛參與光合作用、脂質(zhi)代(dai)謝等功能。

圖2 花生的基因(yin)水平(ping)泛基因(yin)組

3、結構變異（SV）可能影響基因表達

通過構(gou)建圖譜型花生泛基(ji)因(yin)(yin)組(zu)，整合組(zu)裝與(yu)比對兩種SV檢(jian)測方法，共識別出(chu)86,308個(ge)高(gao)置信度SV，主(zhu)要(yao)為(wei)插(cha)(cha)入與(yu)缺(que)失。其中(zhong)(zhong)(zhong)10–16%的SV直(zhi)接(jie)與(yu)基(ji)因(yin)(yin)重疊，15–30%位于啟(qi)動子(zi)(zi)或(huo)下游3,000 bp區(qu)域。啟(qi)動子(zi)(zi)和外顯子(zi)(zi)區(qu)域中(zhong)(zhong)(zhong)的SV更可(ke)能影(ying)響基(ji)因(yin)(yin)表達，最多(duo)有40%的插(cha)(cha)入/缺(que)失來(lai)源(yuan)于LTR或(huo)DNA轉座(zuo)子(zi)(zi)。以大(da)(da)莢材料ZP06為(wei)例，其A亞基(ji)因(yin)(yin)組(zu)包含(han)2,130個(ge)插(cha)(cha)入和2,160個(ge)缺(que)失，B亞基(ji)因(yin)(yin)組(zu)也發現大(da)(da)量結(jie)構(gou)變異。多(duo)個(ge)重要(yao)基(ji)因(yin)(yin)如Snakin-2、NAD+合成酶和糖基(ji)轉移酶等(deng)的啟(qi)動子(zi)(zi)或(huo)外顯子(zi)(zi)中(zhong)(zhong)(zhong)SV改變了(le)其表達量或(huo)結(jie)構(gou)，如7.9 kb缺(que)失、1.2 kb插(cha)(cha)入等(deng)，直(zhi)接(jie)影(ying)響產量與(yu)抗性(xing)。

圖(tu)3 泛基(ji)因組中結構變(bian)異（SVs）的(de)特征(zheng)

4、馴化過程中性(xing)狀相關基因的選擇性(xing)掃描

研究表明，結構(gou)變(bian)異（SVs）在花(hua)生馴化過(guo)程中(zhong)對果實大小和(he)抗(kang)病(bing)(bing)性(xing)(xing)狀的(de)形成起到了關(guan)(guan)(guan)鍵作用。在馴化相(xiang)關(guan)(guan)(guan)SVs中(zhong)，約41–55%與(yu)LTR或Gypsy重(zhong)(zhong)復元(yuan)件(jian)重(zhong)(zhong)疊(die)，35–55%與(yu)簡單重(zhong)(zhong)復序列重(zhong)(zhong)疊(die)，且(qie)(qie)B亞(ya)基(ji)因(yin)(yin)(yin)組的(de)Helitron轉座子(zi)比例顯著(zhu)低于A亞(ya)基(ji)因(yin)(yin)(yin)組，顯示出明顯的(de)進化特征(zheng)。19個SV相(xiang)關(guan)(guan)(guan)基(ji)因(yin)(yin)(yin)與(yu)果實大小和(he)抗(kang)病(bing)(bing)性(xing)(xing)狀顯著(zhu)相(xiang)關(guan)(guan)(guan)。例如，鈣(gai)依賴性(xing)(xing)激酶CRK26在多個野生和(he)二倍(bei)體品種中(zhong)存在629 bp缺(que)失，而亮氨酸重(zhong)(zhong)復基(ji)因(yin)(yin)(yin)IRK中(zhong)有27.7 kb缺(que)失，通過(guo)基(ji)因(yin)(yin)(yin)組組裝得以準確(que)識別。此外，莢果大小相(xiang)關(guan)(guan)(guan)基(ji)因(yin)(yin)(yin)NTF6與(yu)抗(kang)病(bing)(bing)基(ji)因(yin)(yin)(yin)FBRL2構(gou)成花(hua)生中(zhong)特有的(de)串聯單元(yuan)，其(qi)高拷貝數變(bian)異與(yu)大莢果表型密切相(xiang)關(guan)(guan)(guan)，且(qie)(qie)在抗(kang)病(bing)(bing)情境(jing)下表達同步下降。

圖4 馴化過程中(zhong)全基因組(zu)的選擇性清除

5、CKX6 基因中的結構變異降(jiang)低其表達并促進種子(zi)膨大

研(yan)究(jiu)鑒定出117個(ge)與種(zhong)(zhong)(zhong)子重(zhong)量顯(xian)著(zhu)相關(guan)的(de)SV或InDel，其中染(ran)色(se)體3上一個(ge)SV（P = 1.84 × 10??）顯(xian)著(zhu)與種(zhong)(zhong)(zhong)子重(zhong)量關(guan)聯(lian)。該SV附近的(de)AhCKX6基因(yin)在大(da)粒(li)品(pin)(pin)(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)中3′-UTR存在兩(liang)個(ge)特異插(cha)入(ru)序列(lie)，75%的(de)地(di)方品(pin)(pin)(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)和改(gai)良品(pin)(pin)(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)攜帶該插(cha)入(ru)，而在61個(ge)野生品(pin)(pin)(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)中完(wan)全缺失。表(biao)達(da)分析顯(xian)示，小粒(li)品(pin)(pin)(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)中AhCKX6表(biao)達(da)顯(xian)著(zhu)高于大(da)粒(li)品(pin)(pin)(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)，而大(da)粒(li)品(pin)(pin)(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)的(de)細(xi)(xi)胞(bao)分裂(lie)素(su)含量更高。功能推斷(duan)表(biao)明(ming)，這(zhe)些插(cha)入(ru)降低CKX6表(biao)達(da)，從而減少細(xi)(xi)胞(bao)分裂(lie)素(su)降解，提升其積累水平，進而加快細(xi)(xi)胞(bao)分裂(lie)，促進種(zhong)(zhong)(zhong)子發(fa)育。

圖5 選(xuan)擇清除(chu)區(qu)域中具有結構變異的性(xing)狀相關基因

6、AhARF2-2 負(fu)調控種(zhong)子大小

在(zai)(zai)SV-GWAS中(zhong)(zhong)，共(gong)鑒定出73個與(yu)種子(zi)大(da)小相(xiang)關(guan)的SV，其中(zhong)(zhong)NDH08G29450基(ji)因(yin)（AhARF2-2）中(zhong)(zhong)的一個外(wai)顯(xian)(xian)子(zi)突變(bian)(bian)最顯(xian)(xian)著(zhu)（P = 3.63 × 10??）。ZP06品(pin)種的HapII型(xing)在(zai)(zai)第12、13外(wai)顯(xian)(xian)子(zi)中(zhong)(zhong)存在(zai)(zai)275 bp缺失(shi)(shi)和(he)(he)提前終止密(mi)碼子(zi)，導致(zhi)AUX/IAA結構域(yu)丟(diu)失(shi)(shi)，使(shi)蛋白失(shi)(shi)去與(yu)AhIAA13和(he)(he)AhTPL的互作能(neng)力。該突變(bian)(bian)顯(xian)(xian)著(zhu)影響種子(zi)長(chang)度(du)和(he)(he)百粒(li)重(zhong)。表(biao)達(da)分析顯(xian)(xian)示(shi)，AhARF2-2在(zai)(zai)HapII中(zhong)(zhong)表(biao)達(da)更高，但對(dui)下游(you)GRF5的抑(yi)制(zhi)(zhi)較(jiao)弱(ruo)，GRF5表(biao)達(da)在(zai)(zai)HapII中(zhong)(zhong)更高，從而(er)(er)促(cu)進種子(zi)膨(peng)大(da)。轉(zhuan)基(ji)因(yin)驗證中(zhong)(zhong)，HapII型(xing)擬(ni)南芥(jie)種子(zi)長(chang)度(du)和(he)(he)面(mian)積顯(xian)(xian)著(zhu)大(da)于HapI型(xing)。綜(zong)上，AhARF2-2通過招募(mu)TPL抑(yi)制(zhi)(zhi)GRF5表(biao)達(da)，而(er)(er)突變(bian)(bian)型(xing)喪(sang)失(shi)(shi)該調控(kong)能(neng)力，從而(er)(er)解(jie)除抑(yi)制(zhi)(zhi)、促(cu)進種子(zi)發育。

圖6 結構變異全基因組關聯(lian)分析(xi)

總結

研究(jiu)(jiu)人(ren)員基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)于泛(fan)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組分析揭示了(le)花(hua)生(sheng)種(zhong)(zhong)子(zi)大小和重(zhong)量相關的結構變(bian)異。研究(jiu)(jiu)利(li)用8個(ge)高質(zhi)量基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組和269份不同(tong)種(zhong)(zhong)子(zi)大小的重(zhong)測序數據，鑒(jian)定(ding)出22,222個(ge)核(he)心或軟核(he)心基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)家族(zu)(zu)、22,232個(ge)分布基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)家族(zu)(zu)和5,643個(ge)私有(you)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)家族(zu)(zu)。研究(jiu)(jiu)發現A亞基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組中的結構變(bian)異（SVs）頻率高于B亞基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組，并鑒(jian)定(ding)出1,335個(ge)與(yu)(yu)(yu)馴化相關的SVs和190個(ge)與(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)子(zi)大小或重(zhong)量相關的SVs。特(te)別地，AhARF2-2基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)中一(yi)(yi)個(ge)275 bp的缺失導致其與(yu)(yu)(yu)AhIAA13和TOPLESS的相互作用喪失，減少了(le)對AhGRF5的抑制作用，從(cong)而促(cu)進了(le)種(zhong)(zhong)子(zi)的擴張。這一(yi)(yi)高質(zhi)量的泛(fan)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組為花(hua)生(sheng)及(ji)其他豆類作物的遺傳改良提(ti)供了(le)重(zhong)要的基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)礎資源，并為理解花(hua)生(sheng)的馴化機制和遺傳多樣性提(ti)供了(le)新的視角。