福建農林大學明瑞光課題近2年中1篇Cell和3篇NG等文章

近2年中1篇Cell和3篇NG等, 福建農林大學明瑞光課題組在物種基因組研究進展中取得一系列進展！

來源：iPlants

福建農林大學明瑞光教授是熱帶作物研究專家，在植物性染色體研究方面，以番木瓜性染色體為材料開創了早期性染色體演化研究領域，並長期處於這個領域的前沿。在甘蔗生物學研究方面，破譯了甘蔗割手密同源多倍體基因組，研究了甘蔗糖分積累和生物量形成的分子機制。在菠蘿生物學研究方面，破譯了高度雜合的菠蘿基因組，發現了受晝夜節律調控的順式表達原件在景天酸代謝光合作用途徑的演化中起了關鍵作用。這些研究成果對番木瓜、菠蘿及甘蔗的遺傳改良具有裡程碑貢獻，對熱帶作物研究具有重要參考價值，對農作物基礎研究具有重要意義。

通過查詢pubmd網站，得知明瑞光課題組在最近兩年（2018/11-2020/11）的時間裡總共發表了17篇通訊文章，其中包括了1篇Cell 和 3篇Nature Genetics等高水平的文章，這些成果破譯了甘蔗基因組、花生基因組及菠蘿基因組及榕樹和榕小蜂精細基因組圖譜等一系列的研究成果，其可謂是高產！具體如下：

1. 2018年11月，Nature Genetics在線發表了來自福建農林大學明瑞光教授團隊題為「Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L.」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。

1. 測序、組裝及注釋

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。

表1 花生基因組組裝統計

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 . 2019年10月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。

大多數穀物，蔬菜是通過種子進行有性繁殖的，而大多數果樹，塊莖和某些觀賞植物是通過嫁接，組織培養等無性繁殖的。有性繁殖的物種在馴化過程中經歷了數百至數千代的同源重組選擇，並在基因組中留下了明顯的特徵。相反，無性繁殖作物的馴化既取決於營養繁殖，又取決於有性繁殖，它甚至可以是一步操作，一旦選擇了克隆，選擇就完成了。因此，無性繁殖的作物可能在馴化後經歷了零到幾次重組和選擇周期，這與有性繁殖的一年生作物形成鮮明對比。而菠蘿是一種無性繁殖水果作物，起源於南美，並在6000年前就已被馴養。那麼菠蘿的馴化是否是「一步操作」到位還是其他呢？我們至今仍然無法得知！

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。

菠蘿的種群結構

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。

4. 2020年10月8日，Cell 雜誌在線發表了來自福建農林大學明瑞光課題組和中國科學院西雙版納熱帶植物園陳進課題組合作題為「Genomes of the Banyan Tree and Pollinator Wasp Provide Insights into Fig-Wasp Coevolution」的研究論文。該研究發布了榕樹和榕小蜂精細基因組圖譜，並首次在分子機制上揭示了榕樹氣生根發育、性別決定和榕樹-榕小蜂協同多樣化等多項未解之謎。

1. 揭示絞殺榕氣生根形成的分子機制

本研究基於半附生的小葉榕與地生的對葉榕的染色體水平的高質量基因組的比較分析以及小葉榕不同組織的轉錄組基因表達比較、激素表達量比較等分析，共定位到811個在氣生根根尖組織內高表達的基因，其中大部分都是與轉運生物過程相關。該研究還發現具有氣生根小葉榕的生長素合成(YUC2, YUC6和TAR)、級聯反應(CLU1, SINAT5)、運輸(PIN1和GNOM)和光受體(CRY2和PHR2)相關基因呈現大量的擴張，氣生根組織內生長素合成和運輸相關基因都有高度轉錄表達，從而在氣生根內生成更高的IAA生長素（15.65 ng/g）。該研究首次揭示了榕樹的氣生根的形成和發育是與一條光誘導的生長素合成和運輸能力提升的分子通路相關，為榕樹氣生根特徵進化和相關園藝品種開發提供了重要理論基礎。

對葉榕Y染色體和性別決定基因的驗證。

2. 發現對葉榕的性染色體和性別決定基因並確定榕樹性別系統進化方向

本研究基於60個F1代個體的超高密度的遺傳圖譜構建、雌雄自然群體重測序數據、Hi-C染色體組裝和轉錄組分析，首次發現雌雄異株的對葉榕存在年輕的Y-染色體，其上具有一個2Mb左右的具有重組抑制的性別決定區域，且包含一個雄性特異的性別決定基因 （AG2基因，屬MADS-box C組的AGMOUS基因）。雌雄同株的小葉榕只含有一個AG1基因拷貝，而雌雄異株的對葉榕具有AG1、AG2、AG三個3拷貝。此外，3個雌雄異株亞屬代表物種的PCR擴增證實該AG2基因僅存在於雌雄異株榕樹的雄樹中，暗示對葉榕的這種通過AG基因的有無決定性別的機制很可能是大部分榕屬植物通用的性別決定方式。AG基因系統樹支持了雌雄同株繁育性別系統在榕屬的祖先地位。基於來自榕屬全部6個亞屬的62種代表榕樹重測序數據，構建了迄今最大的基因組水平上榕樹系統樹，該系統樹也支持了雌雄同株特徵的祖先地位。

聚果榕亞屬榕樹-傳粉榕小蜂在形態和生理方面的協同適應和協同純化選擇基因。

3. 揭示榕樹－榕小蜂協同進化的基因組學證據

本研究結合已發表的對葉榕傳粉小蜂的基因組數據，推測小葉榕和對葉榕在4千萬年前後分化，這與其各自對應的傳粉小蜂分化的時間存在較好的匹配性，支持了榕樹-榕小蜂的協同分化。同時，基於對熱帶亞洲北緣同域分布的聚果榕亞屬的全部14種榕樹及其對應主要傳粉榕小蜂的重測序數據分析和三組榕樹-榕小蜂代表物種之間宿主識別活性榕果氣味的化學生理驗證，發現控制榕果大小和榕小蜂體型大小的相關基因組區間和控制雙方化學信號通訊相關的基因區間均受到純化選擇。再者，榕樹基因組上揮發物釋放相關的通路中檢測到最多受純化選擇基因的萜烯類合成途徑和莽草酸合同途徑, 正是榕果揮發物中對對傳粉榕小蜂具電生理活性成分的倍半萜類和4-對甲基苯甲醚的生成通路。與之對應，傳粉榕小蜂中存在多個嗅覺感應相關基因受到強烈的純化選擇。該研究結果首次在基因組層面上揭示了榕樹-傳粉榕小蜂在形態和生理上協同適應相關的基因區間的變化對雙方協同分化的可能影響，從而為未來開展協同進化促進物種多樣化的機制研究提供了更明晰的方向。

4. 構建了2種榕樹和1種榕小蜂的高質量基因組精細圖譜

本研究基於三代PacBio單分子測序、染色質三維構象捕獲(Hi-C)和高密度遺傳圖譜等技術成功構建了2種榕樹和1種傳粉榕小蜂的高質量基因組精細圖譜。比較基因組學研究發現兩種榕樹基因組存在大量的結構變異，如染色體斷裂、片段化重複等。這些變異與植物免疫、帖烯類合成等重要的生物學過程有關，為其適應性演化提供了遺傳基礎。本研究中2種榕樹和1種傳粉榕小蜂的高質量基因組的發布也為榕樹-榕小蜂協同進化和榕樹其它應用相關研究打開了組學分析的大門。

明瑞光, 福建農林大學基因組中心主任

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。

主要研究方向：

1.植物性染色體的起源與進化；

2.被子植物性別決定基因網絡；

3.木瓜與甘蔗基因組結構與功能；

4.甘蔗生物產量超親遺傳的分子機理。