二月兰种植密度(国内两个团队解析二月兰基因组的古多倍化演化和重要性状遗传基础)

二月兰，十字花科诸葛菜属，因开花始于农历二月而得名。二月兰花色以蓝紫色为主，早春时在野外成片开放，极具观赏价值。二月兰的种子含油量高，富含不饱和脂肪酸，是一种潜在的高质量油料作物。在部分地区二月兰还被当做蔬菜食用，也称诸葛菜。另外，二月兰也逐渐成为绿肥研究的模式植物。而从进化上看，已有研究提示二月兰可能是由一个四倍体祖先进化而来，且与白菜、甘蓝、萝卜等十字花科蔬菜的亲缘关系较近，可与白菜等杂交。因此，有推测认为二月兰可能是白菜等十字花科作物多倍化过程中的四倍体祖先。然而由于基因组信息缺乏，限制了相关多倍化进化过程的研究，也阻碍了二月兰的驯化与育种应用。

1.中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种团队题为“The genome of Orychophragmus violaceus provides genomic insights into the evolution of Brassicaceae polyploidization and its distinct traits” 的文章，组装了二月兰高质量基因组，解析并丰富了我们对十字花科古多倍化演化过程的认识，为二月兰重要性状相关遗传机制的研究等提供了基因组学基础。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100431

在本项研究中运用Nanopore和Hi-C测序组装技术，完成了二月兰全基因组组装，获得了包含12对染色体的高质量参考基因组，大小为1.34 Gb（图1）。研究显示重复序列的大规模扩张是二月兰基因组比其他十字花科二倍体基因组更大的原因。

图1. 二月兰基因组装和特征

基于二月兰祖先基因组的推导、重建与分析，发现二月兰经历了一次特异性的基因组四倍化事件，并明确了其二倍体祖先具有七条染色体，且核型为tPCK（translocated proto-Calepineae karyotype）（图2），与白菜等十字花科蔬菜作物相同。

图2. 二月兰的二倍体祖先是tPCK核型

基于祖先基因组的七条染色体，重建了二月兰的两套祖先基因组，分别命名为Ov1和Ov2。研究发现Ov1的基因密度高于Ov2。进一步比较两套亚基因组中的同源基因表达水平，发现Ov1上有更多基因的表达量高于Ov2上的线性同源基因，同时与基因上下游的重复序列密度呈负相关。这些结果表明二月兰存在亚基因组优势现象，其古多倍化属于异源四倍化。

图3. 二月兰四倍化过程中存在亚基因优势

二月兰与白菜等十字花科植物在系统发育树上较为接近，其基因组四倍化发生在约857万年前，与白菜、甘蓝等共有的基因组古三倍化时间相近。通过比较二月兰与白菜等作物的基因组区块（genomic block）的重排断点的位置关系，以及亚基因组的来源分析，发现二月兰的古四倍化事件与芸薹属的古六倍化事件是相互独立的（图4），也就是说二月兰不是白菜等十字花科作物的四倍体祖先。此外，通过比较基因组区块关系，还校正了十字花科祖先核型系统的两个区块的边界错误。

图4. 二月兰的四倍化事件独立于芸薹属的六倍化事件

二月兰是一种富含高质量不饱和脂肪酸的潜在油料作物。基于二月兰基因组，研究发现了油脂生物合成的关键基因 DGAT1，FAD2和FAD6同时通过古四倍化和串联重复扩增和保留了更多的基因拷贝（图5），这些关键基因的拷贝数扩增在二月兰高质、高量油脂性状的形成中具有重要作用。

图5. 二月兰油脂生物合成的相关基因存在多个拷贝

综上所述，本研究组装了高质量的二月兰基因组。通过基因组进化分析，明确了二月兰经历了一次特异的古异源四倍化事件，存在亚基因组优势现象，证明了二月兰的古四倍化事件与白菜等十字花科蔬菜作物的古六倍化事件相互独立。通过对油脂和开花等性状的基因组学和转录组学分析，探究了二月兰重要性状的形成机制。这些研究结果丰富了我们对十字花科古多倍化演化的认知，为二月兰的功能基因组学研究提供了重要资源。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所程锋研究员、王晓武研究员、资源区划所易可可研究员和美国内布拉斯加大学林肯分校的James C. Schnable教授为该论文的共同通讯作者，中国农科院蔬菜所的助理研究员张亢、博士生杨印庆和硕士毕业生张鑫为该论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程项目、农业农村部园艺作物生物学与遗传改良重点实验室，以及国家绿肥产业技术体系的资助。

2.华中农业大学植物科学技术学院、华中农业大学国家油菜工程技术研究中心张椿雨课题组题为 Genome Assembly of the Brassicaceae Diploid Orychophragmus violaceus Reveals Complex Whole Genome Duplication and Evolution of Dihydroxy Fatty Acid Metabolism的研究论文，揭示了该复杂基因组在多倍化后染色体的断裂重排过程，同时结合转录组测序提出参与双羟基脂肪酸和多聚内交酯合成的候选基因及其进化历程。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100432

在研究中发现诸葛菜基因组具有24条染色体，具有明显的二倍体特征。进化分析表明其染色体组在距今约600万年经历了一次全基因组复制（WGD）事件。核型分析显示，单倍体基因组(n=12)中的12条染色体中大多相对于祖先种的tPCK核型发生了染色体片段的断裂重排，根据与板蓝根染色体组核型比较，研究者提出了O. violaceus染色体组可能的进化历程。

研究者通过不同发育时期的诸葛菜种子转录组分析，发现在双羟基脂肪酸合成的高峰时期表达的基因从功能注释上并没有出现与甘蓝型油菜中不同的新基因，包括FAD2,FAE1等已知参与特殊脂肪酸合成的基因在拷贝数、氨基酸序列和基因表达上并未出现明显的变异。OvDGAT基因被鉴定为与双羟基脂肪酸和多聚内胶酯合成相关的候选基因。

综上所述，诸葛菜染色体组级别的基因组组装揭示了其基因组不同于芸薹属近缘物种的进化历程，结合转录组分析和功能注释，提出了诸葛菜种子中双羟基脂肪酸合成背后的候选基因家族成员及其可能的进化方式。该研究也为未来通过基因工程改造和利用诸葛菜基因作为基因资源，开发特殊脂肪酸的工业利用提供了参考。

华中农业大学植物科学技术学院硕士生黄凡和陈鹏副教授为论文共同第一作者，华中农业大学国家油菜工程技术研究中心张椿雨教授，美国Nebraska-Lincoln大学Edgar B. Cahoon教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金，美国国家自然科学基金，国家油菜现代农业产业技术体系经费支持。

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