新突破！湖南农业大学解开古老芥菜身世与百变之谜

芥菜是我国一种重要的经济作物，用作油料、蔬菜和调味品。然而，芥菜的遗传学起源与地理起源和多样性中心的结论不完全一致，以至芥菜的起源至今仍是未解之谜。

芥菜（刘忠松团队供图）

9月6日，国际著名学术期刊Nature Genetics发表湖南农业大学刘忠松教授团队联合中国农业科学院油料作物研究所华玮研究员团队等国内外多家单位完成的题为“Genomic insights into the origin, domestication and diversification of Brassica juncea”的研究论文，解决了芥菜起源和驯化的长期以来的科学争议，揭示了芥菜多样性变异的遗传基础，为芥菜种质资源利用和基因组选择育种奠定了基础。

构建了第一个黄籽油菜高质量基因组

研究首先对我国特有的芥菜型黄籽地方品种“四川黄籽”开展全基因组测序，运用PacBio单分子测序、Illumina高通量测序、BioNano光学图谱、高密度遗传图谱和Hi-C技术，组装了高质量基因组。四川黄籽参考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中国茎用芥菜和印度油用芥菜基因组。

图1 芥菜种质的地理分布、种群结构和遗传多样性

破解了古老芥菜身世之谜

为阐明芥菜的遗传变异，作者对全球38个国家和地区的480份芥菜种质进行了基因组重测序，通过系统进化、群体结构和主成分分析将芥菜分为三大类和六个遗传类群。综合核基因组和胞质基因组系统进化分析、考古发掘和历史文献以及种群动态分析，作者重建了芥菜的起源和驯化历史，芥菜于8000 - 14000年前在西亚（中东）地区起源，由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六个不同的类群。约2500-5120年前，根芥首先从野生芥菜中演化出来，推测其在蒙古和中国东北被驯化。野生芥菜被驯化为第三群籽芥，从阿富汗北部沿草原路线向东传播，经河西走廊传入西藏。在其传播过程中，由于基因突变和人工选择演化出第二群黄籽芥菜。同时，籽芥从阿富汗南部传播到印度次大陆，在那里被驯化为第六群印度芥菜。印度芥菜向东扩散，形成了大叶芥菜，进一步向东传入中国西南地区，演化不同类型的第五群叶用芥菜，并于十八世纪在四川盆地由叶用芥菜驯化出茎用芥菜。基因流分析，表明第四群油用芥菜由第二群与第五群杂交、驯化而来，它继承了第二群的黄色种子颜色和胞质基因组与第五群的早熟特性。

图2 芥菜的物种形成和驯化传播

揭示了芥菜百变之源

作者进一步利用选择消除和全基因组关联分析鉴定出12个共同的控制开花期候选基因，对其中2个候选基因VIN3和SRR1进行单倍型分析，表明它们在芥菜的传播和驯化过程中共同进化，揭示了芥菜在开花期上对环境的适应。对籽用、茎用和根用芥菜的基因组特有选择区域和候选基因分析，发现芥菜中适应了当地光周期的基因导致种子大小的改变，生长素信号传导、糖转运、细胞分裂和细胞扩张等方面的基因决定根、茎膨大。

高质量黄籽芥菜参考基因组和重测序鉴定的不同类型芥菜的基因组变异为芥菜基因组学研究建立了平台，为寻找新的基因提供了线索。鉴定出的新基因、单倍型为不同用途芥菜的基因组选择育种提供了基因资源和科学依据，有助于提高育种效率、加速芥菜育种进程。

团队合影

据悉，我校作物学面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求开展科学研究，强调基础研究和应用研究并重。一方面，在独创独有上下功夫，勇于挑战最前沿的科学问题，提出更多原创理论，作出更多原创发现，力争在重要科技领域实现跨越发展。另一方面，以促进区域经济发展和引领地方农业科技创新为目标，围绕南方作物多熟制现代化生产的重大需求，为粮油安全农作物绿色高效生产提供技术与人才支撑。

论文链接：

https://www.网址未加载/articles/s41588-021-00922-y

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文稿 / 庹炼 康雷

审稿/ 余婷婷

责编 / 胡烯锐