2025年02月26日，濰坊現代農業山東省實驗室、北京大學現代農業研究院葉文秀研究員和郭立研究員團隊在國際期刊《自然-遺傳學（Nature Genetics）》上在線發表了題為Super pangenome of Vitis empowers identification of downy mildew resistance genes for grapevine improvement的研究成果，作為葡萄科研領域裏程碑式的重大突破，繪製了涵蓋葡萄屬的歐亞、北美和東亞世界三大種群的72個葡萄種質材料的單倍型超級泛基因組圖譜，揭示葡萄屬豐富遺傳多樣性和雜交歷史，基於葡萄多組學數據，挖掘到葡萄霜霉病抗性相關遺傳變異和抗病基因，加速葡萄精準分子育種，開啟葡萄種質創新和利用新時代。
濰坊現代農業山東省實驗室、北京大學現代農業研究院濰坊市葡萄種質創新與利用重點實驗室葉文秀研究員和郭立研究員為該論文的共同通訊作者。濰坊現代農業山東省實驗室、北京大學現代農業研究院郭立研究員、王祥鋒科研助理、Dilay Hazal Ayhan助理研究員、Mohammad Saidur Rhaman助理研究員和閆明訪問學生為該論文的共同第一作者。濰坊現代農業山東省實驗室、北京大學現代農業研究院的鄧興旺院士和中國農業科學院鄭州果樹研究所的劉崇懷研究員為本研究提供了重要支持。鸿运国际(中国)為本項目提供三代建庫測序服務。
研究背景
葡萄（Vitis）在全球範圍種植廣泛，即可鮮食又可加工成葡萄酒等，具有很高的經濟價值，是農民致富、鄉村振興、人民美好生活中不可或缺的重要園藝作物。作為最古老的馴化作物之一（約公元前11,000年），漫長的持續馴化和多年的育種改良導致現代葡萄品種的遺傳多樣性縮小和抗性丟失，使其易受病蟲、逆境等各種不利條件的影響。
近年北美葡萄泛基因組（Genome biology, 2023），歐洲葡萄泛基因組（Nature Genetics, 2024）的相繼報道，野生葡萄以其豐富的遺傳多樣性和超強的抗性基因再次受到關注，但以大群體染色體級基因組組裝為基礎，涵蓋主要品種，特別是包含東亞野生種葡萄的屬級泛基因組一直未見報道。因此構建涵蓋整個葡萄屬的泛基因組將成為了解葡萄遺傳多樣性、開展功能基因組學研究、識別隱性遺傳特性以及葡萄精準改良的關鍵資源。
研究結果
01 葡萄完整單倍型基因組構建
本研究首先組裝了釀酒葡萄（Vitis vinifera）霞多麗的完整單倍型基因組，並首次基於ChIP-seq數據鑑定了葡萄着絲粒序列，解析着絲粒的衛星重複序列結構特徵，發現單倍型着絲粒之間的顯著差異，表明其快速進化。其次，本研究通過對591個葡萄材料的群體基因組分析，選取了72個代表性葡萄材料（包括25個野生種和47個栽培種）進行染色體水平的單倍型基因組組裝（圖1），基因組驗證表明這些單倍體基因組序列具有較高的質量和完成度。
圖1. 葡萄樣品全球地理分佈及其果實和葉片形態
02 單倍型基因組系統發育分析
鑒於葡萄基因組因頻繁雜交而具有的高度雜合性，單倍型基因組不僅能精確解析雜合區域序列，而且對分析葡萄的育種歷史也至關重要。本研究首次構建了單倍型系統發育進化樹，揭示了葡萄屬植物複雜的育種歷史和豐富的遺傳多樣性。結果顯示，北美和歐洲品種存在較多內部雜交，而東亞品種的內部雜交較少，跨大洲雜交事件有限（圖2），特別是東亞葡萄極少被開發的遺傳多樣性，表明了其潛在的巨大育種價值。此次新發佈的東亞野生葡萄基因組為葡萄遺傳育種研究提供了強有力的資源支持。
圖2. 144個單倍型基因組系統發育樹
03 探究葡萄材料的泛基因組家族
本研究還分析了72份葡萄材料的泛基因組家族，發現了超過6.4萬個基因家族，包括不同數量的核心、可變和私有的基因家族。擬合曲線表明，本研究的泛基因家族數量趨向飽和，表明葡萄泛基因組接近閉合。研究還系統分析了葡萄屬免疫受體蛋白基因家族NLR，結合三大種群的葡萄和圓葉葡萄抗霜霉病數據發現，TIR-NBARC-LRR家族的NLR基因在抗病（野生葡萄）和感病葡萄（栽培葡萄）中存在顯著數量差異，因此有可能是葡萄抗霜霉病表型差異的重要因素之一。該超級泛基因組分析為研究葡萄屬的遺傳多樣性、進化歷史及功能基因挖掘提供了全面的基因組基礎（圖3）。
圖3. 葡萄屬72份代表性材料超級泛基因組基因家族圖譜
04 葡萄基因組遺傳結構變異（SV) 圖譜繪製
其次，本研究進一步繪製了目前最完整的葡萄基因組遺傳結構變異（SV) 圖譜，助力挖掘與抗性及資源利用效率等重要性狀相關的功能基因（圖4）。本研究通過全基因組序列比對和變異檢測，在67個Euvitis葡萄樣本中鑑定出132,518個非冗餘結構變異。功能富集分析表明，這些SV與葡萄葉片形態、病原識別及生物刺激感知相關。通過與已知分子標記的比較，本研究鑑定到霜霉病抗性分子標記Rpv3相關SV事件，並發現三大種群中該SV位點的不同單倍型與葡萄霜霉病抗性有顯著關聯性，證明該SV是一個關鍵抗病分子標記，突出了超級泛基因組圖譜的價值。
圖4. 葡萄屬72份代表性材料結構變異圖譜
05 葡萄圖形泛基因組構建及QTL分析
最後，本研究使用葡萄結構變異圖譜和基於霞多麗完整基因組序列，構建了第一個涵蓋歐、亞、美三大種群的圖形泛基因組。基於該圖形泛基因組，本研究對113個葡萄樣本的霜霉病抗性表型、氣孔表型以及霜霉病侵染轉錄組數據進行了基因組變異的eQTL分析（圖5），鑑定出63個SV-eQTL和1,808個SNP-eQTL與葡萄抗霜霉病顯著相關。在63個與霜霉病抗性密切相關的SV的輔助下，本研究定位到一個氨基酸轉運蛋白基因VvLHT8。進一步的分子功能實驗發現VvLHT8可能通過負調控葡萄水楊酸合成和氣孔免疫反應進而抑制葡萄抗病性，證實了高質量泛基因組輔助的多組學關聯分析在作物重要農藝性狀分子標記開發及功能基因挖掘中的高效性。本研究構建的葡萄屬超級泛基因組不僅加深了對葡萄生物進化和育種改良的理解，也為精準改良葡萄抗病性和多樣性提供了重要的科學基礎。
圖5. 超級泛基因組圖譜輔助SV-eQTL鑑定及VvLHT8基因功能驗證
研究總結
綜上所述，本研究提供了豐富的葡萄屬基因組資源，有助於全面解析葡萄基因組的複雜性和多樣性，從而高效發掘並利用葡萄特別是野生葡萄種中的優異基因。本研究結合葡萄屬超級泛基因組、群體轉錄組學和表型組學，對葡萄屬遺傳多樣性和重要農藝性狀形成機制的深入探索，為未來培育超級葡萄提供了理論基礎和新的思路（圖6），標誌着葡萄基因組研究邁進新的階段，也必將加速推動我國葡萄種質創新和葡萄產業的高質量發展。
圖6. 葡萄屬超級泛基因組構建和應用
參考文獻
Guo, L., Wang, X., Ayhan, D.H.et al. Super pangenome of Vitis empowers identification of downy mildew resistance genes for grapevine improvement. Nat Genet (2025). http://doi.org/10.1038/s41588-025-02111-7
