2023年8月17日，中國農業科學院作物科學研究所周美亮課題組、四川農業大學張新全課題組聯合鸿运国际(中国)在期刊BMC Biology（IF=5.4）上在線發表了題為「Resequencing of global Lotus corniculatus accessions reveals population distribution and genetic loci, associated with cyanogenic glycosides accumulation and growth traits」的研究論文，本研究對全球收集的272份百脈根材料進行重測序，得到467,831個SNP位點。利用這些SNP位點分析了百脈根材料的群體結構、遺傳多樣性、選擇性清除和遺傳關係。GWAS鑑定了與氰甙合成及其他生長性狀相關的基因，並對候選基因進一步功能驗證，為今後的育種提供了理論依據。鸿运国际(中国)為本研究提供了二代全基因組重測序的建庫測序與分析服務。
01 研究背景
百脈根是一種多年生豆科植物，廣泛分佈於世界各地，對不同環境的適應能力強，對貧瘠的抵抗力強，是優良的飼料和生態恢復植物。然而，其種群間的分子遺傳學和基因組關係尚未被發現。
02 研究結果
結果一：百脈根基因組變異和種群結構
本研究對來自30個不同國家的227個百脈根種質資源進行了重測序，總共產生了1.69 Tb的原始數據，包括115.7億個reads，平均測序深度為13.08 ×。經過數據過濾，確定了467,831個SNP和75,962個InDel。系統發育分析、主成分分析（PCA）和ADMIXTURE群體結構分析結果表明，百脈根種質資源可以分為三個不同的進化枝，進一步劃分為四個遺傳亞群，對應不同亞種或生態型。
結果二：百脈亞群的遺傳多樣性與分化
PI分析揭示了百脈根不同亞群的遺傳多樣性，Group Mix多樣性最高，其次是GroupⅡ、Ⅲ、Ⅰ。Treemix基因流分析發現Group Mix有Group Ⅱ和Group Ⅲ的基因滲入。依據亞群的地理分佈發現外高加索地區是百脈物種形成和遺傳多樣性高度活躍的中心。選擇消除分析發現，Group Ⅰ與Group Ⅱ、Group Ⅰ與Group Ⅲ、Group Ⅱ與Group Ⅲ之間的選擇性掃描區分別有1,733、2,185、2,338個基因，對這些基因進行注釋，發現這些選擇性掃描區域主要涉及生物過程如代謝和細胞過程，分子功能如結合和催化活性，表明這些選擇性掃描區域可能是造成這些亞群中氰甙含量差異的原因之一。
結果三：與氰甙含量的全基因組關聯
我們對GroupⅡ和Group Ⅲ中總氰甙含量進行了GWAS分析。鑑定到6號染色體上的Chr6_22318549位點與總氰甙含量是顯著相關的，從22.28 Mb到22.34 Mb（60 kb）的候選區域包含17個候選基因。SNP峰 （Chr6_22318549, T/C）位於LjMTR 基因的內含子上，同時對LjMTR基因上的所有SNP進行分析，發現LjMTR外顯子的非同義突變位點Chr6_22319927（G/C）導致氨基酸從Ala變為Gly。通過單倍型和表達分析，表明LjMTR 基因可能參與了氰甙合成的調控。同時還發現另一個候選基因LjZCD可能通過上調氰甙合成基因CYP79D3來參與調控氰甙含量。
結果四：與莖長的全基因組關聯
通過來自兩個種植區域的241份百脈根種質材料進行GWAS分析，鑑定與莖長顯著相關的變異位點或基因，在5號染色體上發現了多個顯著SNP。Chr5_19895618位點上下游30 kb區域 （Chr5: 19.86-19.92 Mb）包含7個候選基因。我們分析了該區域的SNP位點，在Lj5g3v1222610（LjZCB）的外顯子上發現了一個引起同義突變的SNP位點Chr5_19909005（G/T）。根據這個位點，我們可以將材料分為兩個單倍型Hap.G（GG）和Hap.K（GT），Hap.G的莖長明顯高於Hap.K，表明該基因參與莖長的調控。通過表型鑑定，發現LjZCB過表達轉基因株系在苗期莖比野生種長，表明LjZCB可能促進莖長。
結果五：與株高的全基因組關聯
通過來自兩個種植區域的241份百脈根種質材料進行GWAS分析，鑑定與株高顯著相關的基因位點。Chr3_706642位點上下游區間（Chr3: 0.67-0.73 Mb）包含7個候選基因。位於Lj3g3v0075610（LjZCA）上游87 bp的SNP突變位點Chr3_ 691967（C/T）使CAAT盒失效。我們進一步對LjZCA在兩種單倍型Hap. C（CC）和Hap. Y（CT）中的表達和轉錄激活實驗，表明該LjZCA基因上的SNP突變位點可能通過影響下游基因表達來調節株高。
03 研究總結
本研究報告了一個來自30個不同國家的272個百脈根材料基因組重測序的基因組變異圖譜。結果表明，百脈根材料具有較高的遺傳多樣性，可進一步劃分為3個亞群，遺傳多樣性中心均位於外高加索地區。通過全基因組關聯分析，作者發現了一個減少氰甙合成的基因LjMTR和一個促進氰甙合成的基因LjZCD。此外，作者還發現了生長相關基因LjZCA和LjZCB。這些結果為今後的育種提供了理論依據。
參考文獻
Chen, C., Zhang, K., Liu, F. et al. Resequencing of global Lotus corniculatus accessions reveals population distribution and genetic loci, associated with cyanogenic glycosides accumulation and growth traits. BMC Biology. 2023, 21: 176 . http://doi.org/10.1186/s12915-023-01670-7
