今天我們關注福建農林大學明瑞光課題組進展，其中該課題組在近一年的時間裡發表了3篇Nature Genetics，破譯了甘蔗基因組、花生基因組及菠蘿基因組等緊張，其可謂是高產，具體如下：
1. 2018年10月8日下午，Nature Genetics在線發表了來自福建農林大學明瑞光教授團隊題為「The pineapple genome and the evolution of CAM photosynthesis」的研究論文，該論文在全球首次公布甘蔗基因組，這是第二個以中國人為主破譯的大宗農作物基因組，是全球第一個組裝到染色體水平的同源多倍體基因組，標誌著全球農作物基礎生物學研究取得重大突破，奠定了我國在甘蔗研究領域的國際領先地位。 該研究由福建農林大學聯合美國、巴西等國家的研究機構共同完成，是我國鮮有以高校自主的基因組技術平臺發布的高水平基因組學研究成果。研究團隊攻克同源多倍體基因組拼接組裝的世界級技術難題，率先破譯甘蔗割手密種基因組，同時還解析了甘蔗割手密種的系列生物學問題，特別是揭示了甘蔗屬割手密種的基因組演化、抗逆性、高糖以及自然群體演化的遺傳學基礎。這些研究不僅將促進甘蔗分子生物學的快速進展，更由於甘蔗是發現C4光合作用途徑和研究同源多倍體遺傳的模式植物，對人類深化同源多倍體植物研究，具有十分重要的科學意義。2. 2019年4月29日，Nature Genetics在線發表了來自福建農林大學莊建偉課題組及明瑞光課題組聯合武漢未來組及國內外二十多家科研機構題為「The genome of cultivated peanut provides insight into legume karyotypes, polyploid evolution and crop domestication」的研究論文，以獅頭企（Arachis hypogaea var. Shitouqi）花生為材料，採用三代PacBio SMRT測序為主，結合Hi-C技術和高密度遺傳圖譜等完成了異源四倍體花生栽培種A、B亞基因組共20條染色體的精確組裝，獲得高質量的參考基因組。同時，對來自12個種的52份花生進行重測序，研究結果為花生的基因組結構、生物學特徵、多倍體進化及作物馴化提供了新的見解。花生是我國重要的油料作物，富含有益於心腦血管的油酸、亞麻油酸；白藜蘆醇，纖維，葉酸和蛋白質等營養物質，被稱作「長壽果」。在我國，花生的產量大約3,649千克每公頃，其貢獻的產油量佔所有油料作物的46%以上，經濟價值位於水稻、小麥和玉米後，位於第四位。花生屬包含81個種，大多為二倍體（2n=2x=20），而栽培種花生（Arachis hypogaea L.）為異源四倍體（AABB，2n=4x=40）。細胞遺傳學，系統地理學和分子學證據表明，異源四倍體A. hypogaea可能是二倍體A. duranensis（AA）和A. ipaensis（BB）雜交形成，其基因組是野生二倍體的兩倍。亞基因組之間的密切關係和高比例的重複序列增加了栽培花生基因組的組裝難度。對100x PacBio數據進行初步組裝（平均讀長10.25Kb），獲得Contig N50為1.51Mb，基因組大小2.54Gb，為預估基因組的94%。並基於此對5個含有輕微組裝錯誤的Hi-C結果進行調整，最終組裝出四倍體栽培種花生的20條染色體，總大小為2.51Gb，佔總組裝長度的98.75%。為了評價組裝效果，與公布的花生BAC雙末端測序數據、三個花生全長BAC序列比對都顯示高度的一致性，另外通過二代測序數據和三代的測序數據進行了鹼基水平的準確性評估和連續性評估，所有的評估結果表明了花生基因組高質量組裝。利用29個不同組織/條件的Illumina RNA-seq和PacBio Iso-Seq數據輔助注釋，在組裝的Shitouqi基因組中共預測到83,709個編碼蛋白基因，其中功能注釋基因佔76.6%。在1,440個來自BUSCO資料庫的基因集中，有93.1％在組裝的結果中鑑定到，表明花生基因組高質量的組裝和注釋結果。從花生基因組中共鑑定到30,596個非冗餘基因，24,208個同源基因對在兩個亞基因組之間表現出廣泛的差異表達，其中B亞組的顯性表達頻率高於A亞組。
2. 亞基因組結構特徵
比較基因組結果表明花生栽培種B亞組與二倍體A. ipaensis一致性高於A亞組與A. Duranensis之間的一致性。共有629個基因受到基因轉換的影響，有58.7% B轉換為A，41.3% A轉換為B。A和B亞組之間存在較多的倒轉和重組，鑑定到至少6個有明確界限的A、B亞基因組之間的交換或替換，包括染色體3和13之間的10Mb易位。
圖1 花生亞基因組與二倍體A、B基因組基因密度、重複序列共線性關係
3.花生的起源和馴化
花生起源於南美洲，被認為是A和B基因組A.duranensis和A.ipaensis之間的雜交，與二倍體A、B基因組比較，四倍體花生B亞基因組與A.ipaensis之間同源性在99.5%以上，而A亞基因組與A.duranensis之間僅有約97%的同源性。Ks 分布表明A、B基因組的分化預計在260萬年前，與前人報導相同，而二倍體分化產生四倍體A或B基因組約在42-47萬年前，要比之前認為的更古老（圖5a）。
為了研究花生的起源和馴化，作者構建了52份樣品（30個不同生態型異源四倍體花生，18個野生種，4個合成四倍體）的系統發育樹（圖5b）。系統發育樹及測序數據表明野生型四倍體A.monticola形成了subsp. hypogaea和fastigiata生態型，這表明花生可能起源於不同的subsp. hypogaea並且在不同地點獨立馴化，例如秘魯西北地區進化出適應乾旱的生態型（圖5d，箭頭B），東南獨立馴化產生的瓦倫西亞和西班牙生態型在世界範圍傳播（圖5d，箭頭C和D）。這有別於前人預測的花生由A. monticola在阿根廷北部馴化而來。
四個合成四倍體中ISATGR 278和ISATGR 5發生了全基因組的加倍，而另外兩個的A基因組分別是B基因組的1.23和5.93倍，這可能是由於親本染色體由於不相容而在後代中不隨機保留，這進一步支持了作者的假設：存在另一個與B基因組更相容的A基因組供體，而不是A. duranensis。
圖5 花生的進化歷史
3 . Nature Genetics雜誌在線發表來自福建農林大學的明瑞光（Ray Ming）教授團隊題為「The bracteatus pineapple genome and domestication of clonally propagated crops」的研究論文。該研究揭示了菠蘿的進化路線，並揭示了無性繁殖作物中有性生殖和無性生殖的馴化軌跡。該研究首先通過測序及組裝紅苞鳳梨(Ananas comosus var.bracteatus)的基因組CB5，生成了第二個Ananas屬的參考基因組。同時還對一些菠蘿品種和野生菠蘿物種進行了重新測序。研究發現通過CB5，F153和MD2基因組的比較闡明了纖維生產，顏色形成，糖分積累和果實成熟的基因組基礎。
由於體細胞突變是塑造克隆繁殖植物馴化和多樣化的主要驅動力。體細胞突變的一種來源是轉座因子（TEs）的跳躍。研究發現菠蘿中TE插入位點的高變異性可能是馴化過程中通過體細胞突變導致的新性狀的驅動因素。此外，研究還發現三個主要品種中的兩個中缺乏菠蘿染色體的terminal runs of homozygosity，表明有性重組和體細胞突變都促進了菠蘿的表型多樣性。1991-1995年在美國夏威夷大學獲得植物遺傳育種專業博士學位；1995-1998年在美國德州農工大學從事博士後研究；1998-2005年擔任美國夏威夷農業研究中心研究員（Plant Molecular Geneticist）；2005-至今為美國伊利諾伊大學香檳校區（University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC）副教授、教授。為《Tropical Plant Biology》共同主編、《Genome Insights》和《Journal of Systematics and Evolution》編委。在植物性染色體研究方面，開創了早期性染色體進化研究領域，並長期處於這個領域的前沿。在甘蔗分子生物學研究方面，主要工作集中在甘蔗的糖分和產量相關數量性狀分析、基因組學、分子標記等研究。微信加群
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