2021年9月6日，Nature Genetics在线发表了湖南农业大学联合中国农业科学院油料作物研究所团队的最新合作成果，阐明了芥菜群体结构和多样性变异的遗传基础，揭示了芥菜的起源和驯化历史。诺禾致源研发合作中心生信工程师作为共同第一作者参与项目研究与文章发表。
Genomic insights into the origin, domestication and diversification of Brassica juncea
芥菜起源、驯化和多样性的基因组解析
发表杂志：Nature Genetics发表时间：2021.9.6影响因子：38.33发表单位：湖南农业大学、中国农业科学院油料作物研究所、诺禾致源论文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-021-00922-y
研究材料
材料：芥菜型油菜黄籽品种“四川黄籽”；
基因注释转录组测序：根、茎、叶、花蕾、角果（授粉后7天和15天）、角果皮（授粉后20天）和种子（授粉后20天）；
遗传图谱：172个重组自交系（四川黄籽 × 紫叶芥）；
重测序：480份芥菜种质资源
测序技术
PacBio Sequel、BioNano、Hi-C、WGS-seq、RNA-seq、GBS tags
研究方法
基因组组装、群体结构、全基因组关联分析、选择消除、转录组分析等
研究背景
异源四倍体芥菜(Brassica juncea, AABB, 2n = 36)是由二倍体祖先种白菜(B. rapa, AA, 2n = 20)和黑芥 (B. nigra, BB, 2n = 16)天然杂交后加倍而来，是一种形态多样且重要的经济作物。芥菜栽培和驯化历史悠久，经过长期的变异和选择，芥菜演化出籽芥、根芥、叶芥和茎芥四大亚种。一般认为芥菜起源于亚洲，但起源于亚洲何处，是单系起源还是多系起源，一个世纪以来是个悬而未解的科学争议。前苏联学者Vavilov认为中亚是芥菜的起源中心，但许多研究人员则认为芥菜最早是在中东进化的；早期的形态学研究提出了单系起源的观点，而一些学者结合化学分类学、核DNA标记和叶绿体基因组标记的研究结果提出了多系起源的观点，近期我国学者基于109份芥菜材料的重测序结果再次提出了单起源的假说。因此，需要更加全面的研究来揭示芥菜起源和驯化之谜，也有助于后续开展芥菜育种改良工作。
研究成果
1.芥菜型油菜四川黄籽（SY）的染色体级基因组
本研究利用PacBio、Illumina、BioNano、 Hi-C和高密度遗传图谱从头组装SY基因组，最终获得933.5 Mb的基因组序列，其中867.3 Mb（~92.9%）被锚定在染色体上。BUSCO评估 （98.5%）、CEGMA评估（99.6%）、LTR组装指数（LAI，10.7）、BAC序列匹配性（>95%）、BAC双末端序列匹配性（99.5%）、遗传图谱和物理位置的一致性、基于基因组有序图形基因型（GOGG）的一致性等表明该基因组组装的高准确性。SY基因组在基因组组装大小，含N比例、连续性和挂载率等方面优于之前发表的芥菜基因组。
表1 四川黄籽芥菜基因组组装统计
2.群体结构与基因组变异
为了探索芥菜的遗传变异，我们对来自全球38个国家的、包含4个亚种的480份种质材料进行了重测序，平均测序深度为15×，共获得4,529,618个高质量SNPs和967266个InDels。共有946,661个SNP(20.9%)和50,955个InDels(5.27%)位于编码区，其中345,138个SNP(7.62%)导致密码子改变、转录延长或密码子提前终止，而27,420个InDels(2.83%)导致移码突变。这个全面的芥菜基因组变异数据集为芥菜生物学研究和育种改良提供了资源。
为了更好地阐明群体内的亲缘关系，我们排除了90份主要遗传成分低于60%的材料。系统发育和主成分分析表明，剩余的390个样本归属三个不同的进化枝。进化枝І仅包含根芥。进化枝Ⅱ由来自西亚、中亚和中国西北部沿草原之路分布的籽芥组成，这是一条早于丝绸之路的跨欧亚贸易路线。进化枝Ⅲ包括来自印度次大陆和中国南部的油用芥菜、叶芥和茎芥，沿连接东亚和中亚的南方丝绸之路分布。系统发育和群体结构分析进一步把芥菜划分为6个遗传类群（G1-G6），对应不同亚种或生态型。G1是根芥；G2由黄籽芥菜组成，主要来自中国西北，其它来自前苏联、加拿大和欧洲的芥菜也是由中国引进；G3由横跨西藏、中亚和西亚到欧洲的籽芥组成；G4是来自中国西南的油用芥菜；G5主要是叶芥和茎芥，以及少量籽芥，来源于中国南方、日本和美国；G6是来自印度次大陆的油用芥菜，并对6个群体的遗传特征进行了详细的比较分析。
3.芥菜的驯化与传播
为了阐明芥菜的驯化和传播，我们进一步构建了芥菜及其祖先的A和B亚基因组系统发育树，再次证实了芥菜6个遗传类群，表明了芥菜是单系起源。同时，我们组装了478个叶绿体和10个线粒体基因组，发现芥菜有3种胞质基因组类型。研究结果表明，芥菜胞质基因组源自母本祖先白菜，І型胞质经过序列插入/删除和碱基替换分别演化出Ⅱ型和Ⅲ型，再次证明了芥菜为单一起源。综合考古证据、野生材料分布和群体遗传多样性分析，表明芥菜起源于西亚（中东）。芥菜形成于8000-14000年前，在其自由西向东传播过程中，形成了三条独立传播路径，通过基因突变和渐渗杂交演化出6个遗传类群。
4.芥菜开花期的生态地理适应性
开花期是作物驯化相关的一个基本特征，并且对油菜生产有重大影响。通过对贵阳、湘潭、昆明和乌鲁木齐四个不同环境下的390份芥菜进行GWAS分析，我们鉴定到56个与开花时间显著相关的候选基因。同时，我们利用XP-CLR比较分析了3个开花期有明显差异的遗传类群（G6/G1和G6/G2），鉴定了63个开花期候选基因。我们对与开花期密切相关的两个基因SRR1和VIN3进行单倍型分析，详细阐述了它们在芥菜的传播和驯化过程中的共同进化，结果支持芥菜经历了三个独立的驯化事件的结论。此外，研究还通过GWAS和XP-CLR鉴定了15个与开花时间显著相关的新基因，涉及转录因子、SUVR和WD-40重复蛋白以及赤霉素信号，值得进一步研究。
5.芥菜形态多样化的遗传学研究
芥菜在驯化和人工选择过程中发生了较大的形态变化，主要表现为种子大小的增加、根的膨大和茎的膨大。本文通过GWAS、选择消除和转录组测序对这些驯化性状进行了较为详细的研究。
我们鉴定到22个与千粒重显著相关的候选基因，其中有7个基因可以通过选择消除检测到。单倍型分析表明，CYP78A9 (BjuA04g00760S)和CaM7(BjuB05g28000S)有地域光周期适应，导致芥菜种子大小的多样化。同时，还通过GWAS和选择消除分析检测到30个与TSW显著相关的新基因，这些基因包括转录因子、激素信号通路、脂质转运体和核糖体蛋白。
研究鉴定了14个根芥的贮藏根形成的候选基因，在生长素信号传导、糖转运、细胞分裂、细胞扩张和细胞壁修饰方面发挥作用。其中，参与细胞分裂和生长的CDC48A4（BjuA03g27650S）存在三种单倍型，对应于三个独立驯化事件，并在根芥的根膨大过程中上调表达。根芥有不同于籽芥、叶菜等的EXPB1 (BjuB02g61740S)单倍型，它在根膨大后表达下调，这与报道的萝卜和甘薯的贮藏根发育过程中EXPB1的表达模式一致。另外，扩展蛋白基因EXPA16 (BjuA09g18260S) 和木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶基因XTH9 (BjuA03g32220S) 在根膨大过程有相似表达模式。
茎芥由叶芥驯化而来，其可食茎直径远大于叶芥。我们比较了茎芥和叶芥的基因组，鉴定到12 个候选基因，涉及细胞分裂、细胞扩增、生长素信号传导和葡萄糖转运的调节。生长调节因子GRF7（BjuA05g02460S）在茎芥的茎瘤膨大过程中表达上调，而生长素响应蛋白IAA33 (BjuA10g12920S)和生长素响应因子ARF5(BjuB03g51870S)在茎瘤膨大后表达下调。研究表明，相比B亚基因组，A亚基因组在根芥和茎芥驯化过程中经历了更强的选择，这与自然界白菜存在多样化的形态变异一致。
研究结论
该文解析了我国特有的芥菜型油菜地方品种“四川黄籽”的基因组，阐明了芥菜在8000-14000年前起源于西亚，自西向东沿三条独立路径传播，通过基因突变和渐渗杂交演化出6个遗传类群，并揭示了芥菜传播过程中在开花期上对环境的适应以及人工选择籽用、茎用和根用芥菜形态变异的基因组区域和候选基因。该研究首次为芥菜的起源和驯化提供了全面的了解，并为今后开展基因组选择育种奠定了基础。
参考文献
Kang L, Qian LW, Zheng M, et al. Genomic insights into the origin, domestication and diversification of Brassica juncea. Nature Genetics, 2021.
