我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制(甘蓝类蔬菜主要变种)

甘蓝类蔬菜作物种类众多,包括结球甘蓝圆白菜)、花椰菜、青花菜、芥蓝苤蓝羽衣甘蓝抱子甘蓝等十余种变种类型,在世界范围内广泛种植,是我国最重要的一大类蔬菜作物之一。甘蓝类蔬菜的形态变异十分丰富,如结球甘蓝由多层叶片包裹形成的叶球,抱子甘蓝腋芽分化形成的小叶球,青花菜、花椰菜茎顶端分化形成的巨大花球,苤蓝茎基部膨大形成的肉质球茎等。

尽管类型丰富多样,其驯化历史相对较短(2500年以内,部分约500年)。与其他作物相比,甘蓝类蔬菜具有形态类型快速多样化驯化的特征。甘蓝类蔬菜在较短的驯化过程中形成异常丰富表型变异的机制尚不清楚。因此,揭示甘蓝类蔬菜快速驯化的驱动力,解析调控不同变种分化和特异性状形成的遗传机制是亟待解决的科学问题,对于甘蓝类蔬菜的分子设计育种具有重要意义。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制(甘蓝类蔬菜主要变种)

近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队和甘蓝类蔬菜遗传育种创新团队,联合荷兰瓦赫宁根大学植物育种系生长与发育团队,在国际著名期刊Nature Genetics上发表题为“Large-scale gene expression alterations introduced by structural variation drive morphotype diversification in Brassica oleracea”的研究论文,构建了包含所有变种类型的甘蓝基因组,揭示了甘蓝变种快速驯化的隐藏驱动力,获得了一批重要性状的关键基因。

众多甘蓝变种的形成主要有两条独立的进化路线

该研究首先利用700余份甘蓝野生种和覆盖所有变种材料的重测序数据构建系统发育树,发现甘蓝变种主要起源于两个独立的驯化事件,一个驯化形成了以叶片/叶球形态多样化为主的分支,另一个形成了以茎和花膨大等形态变异为主的分支(下图)。

研究人员据此选取了22个代表性野生甘蓝和变种材料,利用PacBio,Nanopore,Bionano和Hi-C等测序技术,构建了染色体水平的高质量基因组,其序列连续性、着丝粒完整性等与已发表的甘蓝基因组相比显著提升。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制(甘蓝类蔬菜主要变种)

704份甘蓝群体材料的进化树及代表性材料图片

甘蓝变种的基因差异性丢失促进了其风味品质多样性的形成

甘蓝变种除了形态多样之外,代谢物、风味等营养品质性状也丰富多样。基于22个新组装基因组和5个已发表的三代基因组,该研究构建了包含多个野生种和所有变种的甘蓝泛基因组图谱。比较甘蓝变种之间的同源基因保留情况,发现不同变种特异的基因丢失/保留存在着显著差异,且这些基因富集于特殊代谢物合成途径等。

例如,在青花菜中的这些基因与硫酸盐转运、硫酯水解酶活性等代谢通路相关,而在苤蓝中该类基因与α-葡萄糖、维他命B6合成相关。研究结果提示这些在驯化过程中特异性丢失/保留的基因与甘蓝蔬菜变种的营养成分、风味品质等差异性形成相关。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制(甘蓝类蔬菜主要变种)

甘蓝泛基因组特征和变种特异基因分析

SV调控基因表达是甘蓝类蔬菜形态多样性进化的“分子加速器”

比较27个甘蓝基因组的序列差异,发现不同甘蓝变种基因组之间存在大量的结构变异(SV),且大多数(73%)位于基因上下游区域,这些结构变异不影响基因本身的功能而被保留和积累下来。研究发现约70%的基因表达变化与结构变异的状态相关,结构变异序列既可以促进基因的表达,也可以抑制基因的表达,促进基因表达的结构变异序列中含有显著多的转录因子结合位点,而抑制基因表达的结构变异序列具有显著高的DNA甲基化修饰水平。这些结果说明甘蓝变种间大量存在的结构变异通过调控相邻基因的表达剂量推进甘蓝变种多样性的形成。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制(甘蓝类蔬菜主要变种)

结构变异在基因组上的分布特征及其与相邻基因表达的关系

该研究进一步构建了甘蓝的图形基因组,在700多份甘蓝群体材料中开展变种特异性驯化选择分析,挖掘到一批在不同变种中受到特异性驯化选择的结构变异及相关基因。

综上所述,该研究构建了高质量的甘蓝泛基因组和图形基因组,揭示了结构变异是大量基因表达剂量改变的重要调节因子,驱动了甘蓝形态类型多样化的快速驯化。该研究为甘蓝变种形成的驯化机制提供了新的见解。该研究中建立的“结构变异-基因表达改变-表型变异”的调控模型,加深了对于结构变异调控性状形成机制的理解,对于回答“植物表型多样化是如何形成的”这一重大科学问题具有重要意义。

中国科学院院士钱前表示,这项研究揭示了结构变异调控基因表达是甘蓝多样性进化的“分子加速器”这一重要规律。甘蓝群体中的结构变异能够改变重要性状调控基因的表达剂量,进而驱动一系列甘蓝形态多样性的形成。这一规律具有普遍性,相关成果不仅为农作物的应用基础研究提出了新的方向,也为未来种质创制与育种策略的制订提供了新思路。

中国科学院院士黄三文表示,这项研究率先揭示了基因表达剂量作为驯化作用对象的驯化选择新模式,是对基因丢失或功能变异等驯化作用对象的重要补充,研究成果可为其他作物的驯化研究等提供参考。同时,这一成果也再次证明我国在十字花科基因组学领域处于国际领先地位。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所博士生李幸、副研究员王勇、荷兰瓦赫宁根大学蔡成成博士(现就职于中国农科院蔬菜花卉所)、中国农业科学院蔬菜花卉研究所季家磊副研究员、韩风庆助理研究员、张磊助理研究员为该论文的共同第一作者;中国农业科学院蔬菜花卉研究所程锋研究员、张扬勇研究员、荷兰瓦赫宁根大学Guusje Bonnema副教授、中国农业科学院蔬菜花卉研究所吕红豪研究员、张亢副研究员为该论文的共同通讯作者。本研究得到了蔬菜生物育种全国重点实验室、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程项目以及农业农村部园艺作物生物学与遗传改良重点实验室、以及荷兰TKI项目的资助。(宋雅娟)

来源: 光明网

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至 举报,一经查实,本站将立刻删除。

(0)
上一篇 2024年6月19日 上午10:05
下一篇 2024年6月19日 上午10:17

相关推荐

  • 湛江:“党建引领+机制创新+科技赋能”扎实推进社会治理现代化(党建引领科建 助推社会治理)

    霞山区扎实开展“千警入格”行动,政法干警全员下到网格问民情。受访者供图 广东推进全国市域社会治理现代化试点创建经验巡礼 湛江廉江市坚持党建引领基层社会治理,以冠利社区“和家工作室”…

    科研百科 2023年3月9日
    437
  • 党建知识问答

    党建知识问答 什么是党建? 党建是指中国共产党(中国共产党)在党员和干部中的教育和管理,旨在加强党的组织和建设,提高党员和干部的思想政治素质和业务水平,推动中国特色社会主义事业的发…

    科研百科 2024年10月31日
    8
  • 学思想守初心担使命 走好基层党校赶考之路(学思想守初心担使命走好基层党校赶考之路)

    原标题:学思想守初心担使命 走好基层党校赶考之路 习近平总书记在中央党校建校90周年庆祝大会暨2023年春季学期开学典礼上的重要讲话,深刻阐述了“为党育才、为党献策”的党校初心,科…

    科研百科 2023年9月26日
    165
  • 上汽大众项目节点

    上汽大众项目节点:汽车制造行业领导者 上汽大众项目是汽车制造行业的领导者之一,自2010年成立以来,一直致力于开发高品质汽车和汽车电子产品。今天,我们很高兴地宣布,上汽大众项目已经…

    科研百科 2024年11月6日
    0
  • 在线 办公系统

    在线办公系统: 让办公更加高效便捷 随着科技的不断发展,在线办公系统已经成为了现代企业办公的一种重要方式。相比于传统的桌面办公,在线办公系统可以提供更加高效、便捷、安全的工作环境,…

    科研百科 2024年8月26日
    35
  • 党建管理平台(长沙智慧党建管理平台)_1

    智慧党建 随着时代的发展,建工作越来越重要,成为了的建设的重要组成部分。 为了更好地推进建工作,许多地方和单位都建立了建管理平台。 那么,什么是建管理平台? 建管理平台有什么作用?…

    科研百科 2023年11月6日
    119
  • 哪个项目计划软件或项目调度软件好用?(项目计划 软件)

    项目计划是一份综合性文件,包括项目要求、目标、范围、风险、预算和进度等各种组成部分。相比之下,项目进度表是一个文档,其中包括项目内的开始和结束日期以及任务和活动的顺序。项目进度表显…

    2022年6月26日
    261
  • 中光华办公平台

    中光华办公平台: 中光华办公平台是中光华软件公司开发的一款集成化办公平台,旨在帮助企业高效地管理日常办公事务。该平台提供了一系列的功能,包括文档管理、邮件管理、日程安排、财务管理、…

    科研百科 2024年8月22日
    33
  • 项目的进度计划与控制

    进度计划与控制是项目管理中至关重要的一环。合理的进度计划和有效的控制可以帮助项目团队确保项目按时完成,并避免出现延迟和质量问题。本文将探讨项目进度计划和控制的基本原理,并提供一些实…

    科研百科 2024年9月3日
    36
  • 广州教育学会科研课题管理系统

    广州教育学会科研课题管理系统 广州教育学会科研课题管理系统是一种用于管理教育学会科研项目的软件系统。该系统由广州教育学会开发,旨在帮助教育学会更好地管理科研项目,提高科研项目的效率…

    科研百科 2024年5月27日
    99