点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制
首页> 光明科普云> 农业农村频道> 三农看点 > 正文

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

来源:光明网2024-02-13 22:00

  甘蓝类蔬菜作物种类众多,包括结球甘蓝(圆白菜)、花椰菜、青花菜、芥蓝、苤蓝、羽衣甘蓝、抱子甘蓝等十余种变种类型,在世界范围内广泛种植,是我国最重要的一大类蔬菜作物之一。甘蓝类蔬菜的形态变异十分丰富,如结球甘蓝由多层叶片包裹形成的叶球,抱子甘蓝腋芽分化形成的小叶球,青花菜、花椰菜茎顶端分化形成的巨大花球,苤蓝茎基部膨大形成的肉质球茎等。

  尽管类型丰富多样,其驯化历史相对较短(2500年以内,部分约500年)。与其他作物相比,甘蓝类蔬菜具有形态类型快速多样化驯化的特征。甘蓝类蔬菜在较短的驯化过程中形成异常丰富表型变异的机制尚不清楚。因此,揭示甘蓝类蔬菜快速驯化的驱动力,解析调控不同变种分化和特异性状形成的遗传机制是亟待解决的科学问题,对于甘蓝类蔬菜的分子设计育种具有重要意义。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队和甘蓝类蔬菜遗传育种创新团队,联合荷兰瓦赫宁根大学植物育种系生长与发育团队,在国际著名期刊Nature Genetics上发表题为“Large-scale gene expression alterations introduced by structural variation drive morphotype diversification in Brassica oleracea”的研究论文,构建了包含所有变种类型的甘蓝泛基因组,揭示了甘蓝变种快速驯化的隐藏驱动力,获得了一批重要性状的关键基因。

  众多甘蓝变种的形成主要有两条独立的进化路线

  该研究首先利用700余份甘蓝野生种和覆盖所有变种材料的重测序数据构建系统发育树,发现甘蓝变种主要起源于两个独立的驯化事件,一个驯化形成了以叶片/叶球形态多样化为主的分支,另一个形成了以茎和花膨大等形态变异为主的分支(下图)。

  研究人员据此选取了22个代表性野生甘蓝和变种材料,利用PacBio,Nanopore,Bionano和Hi-C等测序技术,构建了染色体水平的高质量基因组,其序列连续性、着丝粒完整性等与已发表的甘蓝基因组相比显著提升。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  704份甘蓝群体材料的进化树及代表性材料图片

  甘蓝变种的基因差异性丢失促进了其风味品质多样性的形成

  甘蓝变种除了形态多样之外,代谢物、风味等营养品质性状也丰富多样。基于22个新组装基因组和5个已发表的三代基因组,该研究构建了包含多个野生种和所有变种的甘蓝泛基因组图谱。比较甘蓝变种之间的同源基因保留情况,发现不同变种特异的基因丢失/保留存在着显著差异,且这些基因富集于特殊代谢物合成途径等。

  例如,在青花菜中的这些基因与硫酸盐转运、硫酯水解酶活性等代谢通路相关,而在苤蓝中该类基因与α-葡萄糖、维他命B6合成相关。研究结果提示这些在驯化过程中特异性丢失/保留的基因与甘蓝蔬菜变种的营养成分、风味品质等差异性形成相关。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  甘蓝泛基因组特征和变种特异基因分析

  SV调控基因表达是甘蓝类蔬菜形态多样性进化的“分子加速器”

  比较27个甘蓝基因组的序列差异,发现不同甘蓝变种基因组之间存在大量的结构变异(SV),且大多数(73%)位于基因上下游区域,这些结构变异不影响基因本身的功能而被保留和积累下来。研究发现约70%的基因表达变化与结构变异的状态相关,结构变异序列既可以促进基因的表达,也可以抑制基因的表达,促进基因表达的结构变异序列中含有显著多的转录因子结合位点,而抑制基因表达的结构变异序列具有显著高的DNA甲基化修饰水平。这些结果说明甘蓝变种间大量存在的结构变异通过调控相邻基因的表达剂量推进甘蓝变种多样性的形成。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  结构变异在基因组上的分布特征及其与相邻基因表达的关系

  该研究进一步构建了甘蓝的图形基因组,在700多份甘蓝群体材料中开展变种特异性驯化选择分析,挖掘到一批在不同变种中受到特异性驯化选择的结构变异及相关基因。

  综上所述,该研究构建了高质量的甘蓝泛基因组和图形基因组,揭示了结构变异是大量基因表达剂量改变的重要调节因子,驱动了甘蓝形态类型多样化的快速驯化。该研究为甘蓝变种形成的驯化机制提供了新的见解。该研究中建立的“结构变异-基因表达改变-表型变异”的调控模型,加深了对于结构变异调控性状形成机制的理解,对于回答“植物表型多样化是如何形成的”这一重大科学问题具有重要意义。

  中国科学院院士钱前表示,这项研究揭示了结构变异调控基因表达是甘蓝多样性进化的“分子加速器”这一重要规律。甘蓝群体中的结构变异能够改变重要性状调控基因的表达剂量,进而驱动一系列甘蓝形态多样性的形成。这一规律具有普遍性,相关成果不仅为农作物的应用基础研究提出了新的方向,也为未来种质创制与育种策略的制订提供了新思路。

  中国科学院院士黄三文表示,这项研究率先揭示了基因表达剂量作为驯化作用对象的驯化选择新模式,是对基因丢失或功能变异等驯化作用对象的重要补充,研究成果可为其他作物的驯化研究等提供参考。同时,这一成果也再次证明我国在十字花科基因组学领域处于国际领先地位。

  中国农业科学院蔬菜花卉研究所博士生李幸、副研究员王勇、荷兰瓦赫宁根大学蔡成成博士(现就职于中国农科院蔬菜花卉所)、中国农业科学院蔬菜花卉研究所季家磊副研究员、韩风庆助理研究员、张磊助理研究员为该论文的共同第一作者;中国农业科学院蔬菜花卉研究所程锋研究员、张扬勇研究员、荷兰瓦赫宁根大学Guusje Bonnema副教授、中国农业科学院蔬菜花卉研究所吕红豪研究员、张亢副研究员为该论文的共同通讯作者。本研究得到了蔬菜生物育种全国重点实验室、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程项目以及农业农村部园艺作物生物学与遗传改良重点实验室、以及荷兰TKI项目的资助。(宋雅娟)

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 国际消费品博览会开幕

  • 内蒙古扎赉特旗:水稻迎来插秧季

独家策划

推荐阅读
可持续的减肥从不靠极端节食,而是科学的生活习惯。
2025-05-23 13:30
邓宏章对此形象地比喻:“传统LNP像‘硬闯城门’的士兵,难免伤及无辜;而TNP则是‘和平访问’的来客,以最小代价达成使命。”
2025-05-23 13:13
加强统筹协调,健全部际协同、央地协作、区域合作的工作机制,创新体制机制,加大政策支持,加强统计监测,深化开放合作,着力提升科技服务业发展环境。
2025-05-23 13:50
以“矢志创新发展,建设科技强国”为主题的第九个全国科技工作者日系列活动将于近期陆续开展。
2025-05-23 13:01
这一发现对恒星演化理论、致密星吸积物理和双星并合引力波源研究具有重要意义。
2025-05-23 08:01
若不采取紧急行动,到2030年,全球至少半数青少年(超10亿人)将生活在健康风险高发的“多重负担国家”,面临HIV感染、早孕、抑郁、营养不良等多重威胁。
2025-05-23 09:13
中国科学技术大学生命科学与医学部薛天、马玉乾团队与国内外科研机构合作,制备出高透明、高转化效率的上转换隐形眼镜,可实现人类近红外时空色彩图像视觉能力。相关研究成果5月22日在线发表在国际期刊《细胞》上。
2025-05-23 08:55
近年来,中国坚定走生态优先、绿色发展之路,着力完善生物多样性保护空间格局、强化生物多样性监督管理、织密生物多样性保护制度网,生物多样性保护水平稳步提升。
2025-05-23 08:53
这是进入空间站应用与发展阶段以来,航天员首次通过天和核心舱节点舱出舱,航天员出舱与货物出舱任务首次关联耦合实施。
2025-05-23 08:51
在5月30日第九个全国科技工作者日到来之际,中国科协22日举行新闻发布会介绍今年的全国科技工作者日系列活动:中国科协层面将举办1个主场活动,省级科协层面将推出2300余项特色活动,百余家全国学会将开展各类活动,50余个高校科协及企业科协等基层组织将开展200余项活动。
2025-05-23 09:04
5月22日,小米15周年战略新品发布会在北京召开,小米正式发布首款3nm旗舰处理器“玄戒O1”。
2025-05-22 21:54
联合国秘书长古特雷斯指出,生物多样性是生命网络的经纬,更是人类文明的基石,而今这张网络正被快速撕裂。联合国也呼吁各国迅速编制与KMGBF目标一致的国家生物多样性战略和行动计划,并纳入国家可持续发展战略中。
2025-05-22 09:44
自然界中,鱼类能在水流复杂多变的水下灵活游动、避开障碍,主要得益于身体两侧能感知水流变化的侧线系统。
2025-05-22 09:42
自然资源是人类生存发展的重要基础,人与自然和谐共生离不开对自然资源的高水平保护和高效率利用。保护和利用好自然资源的奋斗路上,有哪些难忘的故事?
2025-05-22 04:35
与大科学装置近距离接触,聆听院士专家讲解科学前沿,沉浸式感受神奇的科学现象……近日,中国科学院第二十一届公众科学日活动举办,所属135个单位“开门迎客”,
2025-05-22 04:35
从闽北山乡到广袤神州,科技特派员制度历经20余载深耕厚植,已成为全面推进乡村振兴、加快农业农村现代化建设的重要力量。
2025-05-22 03:40
(解读人:王挺,系中国科普作家协会副理事长、中国科学技术大学研究员,本文原载于《科普时报》)
2025-05-21 17:56
基于全基因组SNP的种群基因组学研究揭示,全球雪豹可划分为两大遗传支系:北部支系和南部支系。基因组水平评估发现,相比雪豹南部支系,北部支系的基因组杂合度和种群遗传多样性较低,这些特征与其演化历史及较小的有效种群大小相吻合。
2025-05-21 09:38
我国的甘肃皋兰什川古梨园系统、浙江德清淡水珍珠复合养殖系统、福建福鼎白茶文化系统三项遗产系统顺利通过专家评审,正式被联合国粮农组织认定为全球重要农业文化遗产。
2025-05-21 09:43
科学家发现,在线辩论中,GPT-4一类的大语言模型(LLM)如能根据对手的个性化信息调整论据,其说服力将比人类高64.4%。瑞士洛桑联邦理工学院的Francesco Salvi和同事分别将900名美国人与另一个人或GPT-4配对,使双方辩论各种社会政治议题。
2025-05-21 09:40
加载更多