Nature Genetics项目文章 | 番茄超级泛基因组为近缘野生种质资源在作物育种中的应用提供了新思路

2023年4月6日，Nature Genetics《自然·遗传学》发表了由新疆农业科学院园艺作物研究所牵头，中国农业科学院深圳农业基因组研究所、作物科学研究所、生物技术研究所等团队合作完成的题为Super-pangenome analyses highlight genomic diversity and structural variation across wild and cultivated tomato species的研究论文。该研究绘制了11个野生和栽培番茄的染色体级别高质量基因组图谱，阐明了茄属番茄组（Solanum section Lycopersion）的基因组演化历史，构建了番茄超级泛基因组/图基因组，并进一步在野生番茄中克隆到可大幅提升栽培番茄产量的新基因一个。该研究既是对番茄基因组资源的重要补充，同时也对其它作物基因组学研究和野生种质资源尤其是近缘野生种的利用具有重要启发意义。该成果也是新疆农业科学院首次以第一单位在Nature Genetics上发表长篇研究论文。 百迈客为本研究提供了相关测序及分析服务。

番茄（Solanum lycopersicum）是全球最重要的蔬菜作物之一，也是果实遗传、发育和生理学研究的经典模式系统。现代栽培番茄由野生醋栗番茄（Solanum pimpinellifolium）驯化而来，且经历了强烈的遗传瓶颈，导致其品种间遗传多样性大幅降低，这极大地制约了番茄的育种进程。相比之下，野生番茄在其各异生态环境下表现出广泛的遗传和表型多样性，具有高抗病抗逆性、高含量的可溶性固形物、番茄红素和果实风味物质，及高分枝能力等栽培番茄在驯化中“丢失”的优异农艺性状。因此，对番茄野生种质资源的利用是番茄遗传改良的重要途径之一。

研究团队收集了8个野生番茄种（Solanum habrochaites多毛番茄, Solanum chilense智利番茄, Solanum peruvianum秘鲁番茄, Solanum corneliomulleri多腺番茄, Solanum neorickii小花番茄, Solanum chmielewskii克梅留斯基番茄, S. pimpinellifolium醋栗番茄和Solanum galapagense加拉帕戈斯番茄）、1个番茄近源野生种（Solanum lycopersicoides类番茄茄）和2个栽培番茄代表性品种，利用PacBio、Bionano和Hi-C测序技术，构建了11个染色体水平高质量基因组，解析了其基因组构成。结合已发表数据，重构了野生和栽培番茄的系统发生关系，将其明确划分为4个单系起源分支，并发现红果和绿果番茄在约173万年前分化。这些结果阐明了野生和栽培番茄的基因组演化历史（图1）。

图1. 野生和栽培番茄的基因组构成和系统发育关系

先前研究构建的番茄泛基因组仅包含栽培番茄及其近源野生物种的遗传多样性信息。该研究首次通过整合10个番茄野生物种和1个番茄栽培物种，将泛基因组扩展为“超级泛基因组”（Super-pangenome）。其囊括了几乎整个茄属番茄组的遗传多样性，挖掘出已报道番茄泛基因组中缺少的9,320个新基因。比较基因组学分析鉴定出超过4,000万个SNP和InDel变异及28万个结构变异，其中约18万个结构变异为该超级泛基因组中所特有。此外，该研究构建了野生和栽培番茄的大片段倒位图谱，为如何在回交育种中避免连锁累赘提供了基因组学基础。上述结果极大拓展了番茄育种中可用的遗传变异和基因资源（图2）。

图2. 番茄超级泛基因组和结构变异全景图

番茄育种的主要目标之一是通过培育果实更大、分枝数更多的品种来提高产量。野生番茄通常比栽培番茄具有更多的结果分枝，然而能否将这一性状导入栽培番茄，特别是加工番茄中尚未有报道。通过比较进化基因组学分析，该研究鉴定出388个在野生和栽培番茄演化过程中高度分化的结构变异，可能显著影响周围基因的功能。其中位于Sgal12g015720基因（编码细胞色素P450超家族蛋白）第一个外显子的一个244-bp缺失变异引起了研究人员的关注。该变异在野生番茄和栽培番茄中频率差异最显著（p=2.2×10^-16），且在栽培番茄中无法检测到Sgal12g015720转录本（图3）。以上结果说明番茄在驯化过程中保留了该244-bp缺失，使Sgal12g015720发生假基因化而在栽培番茄基因组中丢失。

图3. 结构变异在野生番茄和栽培番茄中的分化

转基因实验证明，Sgal12g015720能够显著增加栽培番茄的分枝和果实数量（~67.1%）（图4），栽培番茄“M82”/野生番茄“LA716”渐渗系植株IL12-2和IL12-3（含有Sgal12g015720基因组片段）同样支持转基因实验结果。因此，Sgal12g015720基因可能在番茄育种中株型调控和产量提高上发挥重要作用。

图4. 野生番茄特有的一个细胞色素P450基因提高栽培番茄产量

综上，该研究利用番茄超级泛基因组揭示了野生和栽培番茄的基因组演化历史，系统解析了番茄野生种中尚未被充分挖掘的遗传多样性。该研究同时证明了通过基因组学的“bottom-up”方法鉴定功能基因的可能，为超级泛基因组在其他作物中的构建和应用指明了方向。值得一提的是，Nature Genetics同期刊发了题为Tomato super-pangenome highlights the potential use of wild relatives in tomato breeding的Research Briefing（研究简报），对该成果进行了简介并给予高度评价。Nature Genetics编辑Wei Li博士认为：“看到基于9个野生种和2个栽培种质的染色体级别基因组构建的番茄超级泛基因组是令人兴奋的事情！这些结果凸显了野生和栽培番茄之间的基因组多样性和结构变异，这将有助于未来番茄功能基因的挖掘和番茄遗传改良。”

新疆农业科学院余庆辉研究员、中国农业科学院深圳农业基因组研究所李宏博博士和中国农业科学院生物技术研究所王欢研究员为该论文共同通讯作者。新疆农业科学院李宁副研究员、中国农业科学作物科学研究所博士后贺强为该论文共同第一作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究员、张新岩研究员、周永锋研究员和康奈尔大学Boyce Thompson研究所费章君教授为本研究提供了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系、作物重要性状形成与生物育种前沿核心技术攻关及新疆农业科学院农业科技创新重点培育专项等项目资助。

新疆农业科学院园艺作物研究所加工番茄生物育种创新团队长期坚持番茄种质资源引进、基因挖掘和品种选育工作。经过多年研究，已育成多个适合于新疆地区栽培的加工番茄品种，并在生产上大面积种植。其中，育成新疆第一个加工番茄杂交品种及国内累计推广面积较大的杂交品种；大面积应用于机械采收的品种，打破了我国机械采收番茄只能依赖美国进口品种的局面；优质的低酸及高粘品种，打破了我国生产高端的“低酸型冷破”及“超粘型热破”番茄酱依赖日本、美国品种的局面。获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步二等奖3项；制定技术标准10余项，建立了从良种繁育到大田标准化栽培的技术体系。推动了加工番茄产业由传统农业粗放生产，向标准化、集约化、机械化现代农业生产转变，为产业转型和升级发展现代农业提供了有力的科技支撑，为新疆加工番茄产业的可持续发展作出了突出贡献。