我校在油菜泛基因组研究取得新进展

南湖新闻网讯（通讯员 关志林）近日，植物学领域国际学术期刊Nature Plant在线发表了我校作物遗传改良国家重点实验室油菜团队与生物信息团队合作的研究论文“Eight high-quality genomes reveal pan-genome architecture and ecotype differentiation of Brassica napus”，公布了8个甘蓝型油菜的高质量参考基因组，基于9份油菜种质（加入Darmor-bzh）构建了泛基因组和基因索引，结合油菜巣式关联作图（BN-NAM）群体揭示了角果长、粒重及三种生态型分化的结构变异基础。该研究为进一步解析甘蓝型油菜的基因组结构和加速遗传改良提供了资源，泛基因组的建立对鉴定与重要农艺性状关联的结构变异有重要意义。

油菜是世界上第二大油料作物，在长期驯化栽培中产生了广泛的变异，根据其开花对低温的需求强弱，主要分为三种生态类型：冬性油菜（WORs，需长时间低温春化）、春性油菜（SORs，不需要低温春化或需求弱）和半冬性油菜（SWORs，低温春化需求居中）。油菜是异源四倍体物种，基因组复杂，尽管已有多个基因组数据公布，但其质量和代表性不足以满足油菜功能基因组和育种需求，遗传多样性在很大程度上还未被发现。

本研究报道了基于PacBio、HiC、BioNano等平台组装的8个甘蓝型油菜种质基因组序列，包括两个WORs：Quinta、Tapidor，两个SORs：Westar、No2127，四个SWORs：中双11、浙油7号、胜利油菜、甘甘（优良自交系）。组装的基因组contigN50为2.1-3.1 Mb，scaffold N50为50.90-57.88 Mb，基因组大小为1.001-1.003Gb。比较基因组分析鉴定了大量SNP（单碱基多态性）、PAV（存在/缺失变异）等变异，构建了泛基因组，大小约为1.8Gb，包含约15万个基因。此外，还构建了统一的基因索引，便于查询和比较不同基因组中的对应基因。油菜泛基因组资源数据库存储于http://cbi./bnapus/。

油菜角果长和粒重是重要的产量相关性状，利用泛基因组鉴定的变异信息在刘克德教授课题组前期构建的BN-NAM群体中进行全基因组关联分析（GWAS）发现，基于SNP的SNP-GWAS检测到控制角果长、粒重的lead SNP位于目标基因BnaA9.CYP78A9非编码区；基于PAV的PAV-GWAS检测到lead PAV位于目标基因BnaA9.CYP78A9启动子区，前期研究表明该PAV变异直接调控了表型的变异。开花是植物从营养生长转为生殖生长的关键过程，与产量密切相关。针对冬环境（湖北武汉）和春环境（甘肃和政）开花期的SNP-GWAS可以鉴定到开花相关基因周围的lead SNP，而PAV-GWAS可以直接鉴定出基因内部和上下游重要的lead PAV，两种方法共同鉴定了大量开花相关基因，其中主效位点包含3个开花抑制因子FLC的重要拷贝，BnaA10.FLC、BnaA02.FLC和BnaC02.FLC。

进一步研究表明， BnaA10.FLC、BnaA02.FLC和BnaC02.FLC的结构变异与油菜的开花时间和生态型分化密切相关。在自然群体中检测三个FLC的结构变异发现，冬油菜BnaA10.FLC启动子区都含有MITE插入，该插入在低温诱导下可以增强BnaA10.FLC的表达，延缓低温对BnaA10.FLC的表达抑制，推迟油菜开花；85%的春油菜BnaA10.FLC基因区中含有LINE插入，导致基因功能丧失，致使开花提前；81%的半冬性油菜BnaA10.FLC启动子区含有hAT插入，基因表达正常。春油菜BnaA02.FLC基因区第6个外显子存在hAT插入、功能丧失，冬/半冬性油菜中BnaA02.FLC正常。此外，只在ZS11、Quinta和Westar中发现了功能性BnaC02.FLC基因；而在浙油7号、胜利油菜和Tapidor中由于发生了同源交换事件该基因被BnaA02.FLC替换，甘甘和No2127中则被完全删除。根据8个种质开花时间及开花相关基因表达量的变化，推测BnaA10.FLC是油菜开花期的主要控制因子，通过对BnaA10.FLC单倍型分析，基本可以区分油菜的三种生态型，而BnaA02.FLC和BnaC02.FLC中的PAV和拷贝数变异导致了各种生态型品种之间开花期差异。

本研究公布了8个甘蓝型油菜的高质量参考基因组并构建了油菜的泛基因组及基因索引，结合BN-NAM群体揭示了三种生态型分化的结构变异基础，对油菜遗传育种及其基因组学和功能基因组学研究具有重要意义。

生科学院博士生宋佳明、植科学院博士生关志林和胡建林博士为本文并列第一作者，作物遗传改良国家重点实验油菜团队刘克德教授和郭亮教授、生物信息团队陈玲玲教授和杨庆勇副教授为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家重点基础研究计划、中央高校基本科研专项资金、湖北省自然科学基金、华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和植物科学技术学院的研究经费支持。