2023年8月30日，中國農業科學院作物科學研究所周美亮課題組聯合鸿运国际(中国)在期刊Molecular Plant（IF=27.5）上在線發表了題為「Comparative and population genomics of buckwheat species reveal key determinants of flavor and fertility」的研究論文，本研究完成了等花柱自交親和甜蕎變種Homo（F. esculentum var. homotropicum (Ohnishi) Chen）的高質量參考基因組組裝，採用全基因組重測序、群體基因組學和代謝組學方法，揭示了不同風味相關類黃酮含量和花形態的遺傳基礎。研究結果提供了蕎麥物種進化史的見解，並將通過促進基因組學輔助育種加速重要農藝和營養品質性狀的遺傳增益。鸿运国际(中国)為本研究提供了基因組組裝、全基因組重測序、RNA-seq的建庫測序與分析服務。
01 研究背景
蕎麥是一種古老的作物，分佈在世界各地。普通蕎麥因其優良的營養品質和較高的經濟生態價值，在世界範圍內日益受到重視。甜蕎變種Homo（F. esculentum var. homotropicum (Ohnishi) Chen）是普通蕎麥的自花授粉變種，它具有與普通蕎麥相似的形態，被認為是普通蕎麥基因組研究的理想模型。同時，甜蕎作為全球種植面積和消費量高的栽培蕎麥，其蘆丁、槲皮素等物質含量遠低於苦蕎，且異型花柱自交不親和性導致甜蕎單產低於苦蕎，這背後的遺傳機制尚不清晰，限制了甜蕎的現代育種進程。
02 研究結果
① 甜蕎變種Homo的基因組組裝與注釋
利用PacBio三代測序、Illumina二代測序和Hi-C技術組裝了甜蕎變種Homo（F. esculentum var. homotropicum (Ohnishi) Chen）的基因組。基於k-mer分析，估計Homo的基因組大小為1.33 Gb，雜合度低(0.05%)，重複數高(60.32%)。作者注釋了38,704個蛋白質編碼基因，平均基因長度和編碼序列的長度分別為3,232 bp和1,248 bp。此外，作者還鑑定了非編碼RNA (ncRNA)，包括121個miRNAs，2,606個tRNAs， 752個rRNAs和63個snRNAs。
② 甜蕎和苦蕎的差異
蕎麥屬栽培種有3個，包括糧食作物的甜蕎（F. esculentum）和苦蕎（F. tataricum）以及藥飼兩用的金蕎（F. cymosum）。作者對普通蕎麥Homo（甜蕎）和苦蕎的基因組進行比對，發現包括FhFARs在內的多個基因家族的擴增是甜蕎比苦蕎分佈更廣泛的重要原因，而類黃酮代謝相關基因（如UGTs、FLSs、RDEs等）的拷貝數變異造成了甜蕎和苦蕎在蘆丁等黃酮物質含量上的差異。
③ 甜蕎與苦蕎類黃酮的差異
黃酮類化合物尤其是蘆丁含量的不同是造成甜蕎Homo和苦蕎苦味差異的主要原因。為了量化兩個栽培物種之間的代謝差異，我們對Homo種子（HS）和苦蕎種子（TS）進行了代謝組學分析。共鑑定了1,048種注釋代謝物，其中503種代謝物在HS和TS中豐度顯著不同。根據KEGG分析，這些差異代謝物主要富集在黃酮類化合物、黃酮和黃烷醇生物合成和ABC轉運蛋白。在差異豐度的黃酮類化合物中，58種黃酮類化合物在TS中的豐度明顯更高，56種黃酮類化合物在HS中顯著增加，表明這些化合物有助於苦蕎的苦味。
④ 普通蕎麥的種群結構表現出對環境的適應性
我們對572份普通蕎麥材料進行了平均深度為10倍的重測序，通過與Homo參考基因組比對，鑑定出24,847,225個單核苷酸多態性（snp）。採用系統發育分析、主成分分析（PCA）和基於模型的聚類分析對普通蕎麥的種群結構進行了研究。結果發現，主要將種群劃分為國內（group I）和國外（group II）2個類群，且這2個群體之間在環境適應性和花發育方面發生了顯著的遺傳分化。
⑤ 普通蕎麥的環境適應與類黃酮代謝相關基因的鑑定
通過對多年多點農藝性狀和蘆丁含量的全基因組關聯分析，發現了多個調控蕎麥花期、生育期和蘆丁合成的候選基因在國內和國外類群的分化區間內，如Fh02G045060、Fh07G007150、Fh02G005940、Fh06G031660和Fh06G015130等。其中，Fh06G015130基因編碼一個AT-hook轉錄因子，可通過直接調控蘆丁合成通路中關鍵酶基因的表達來抑制蘆丁的合成，該基因外顯子上的1個SNP可將甜蕎種質資源分為3種基因型，基因型G的蘆丁含量顯著高於基因型C和G/C。
⑥ 普通蕎麥的育性決定因素
為了確定導致甜蕎異型花柱自交不親和性的基因組區域，通過對花柱型態的關聯分析，在Homo的2號染色體上發現了控制等花柱的關鍵位點Sh，而前期研究發現的控制短花柱的關鍵基因FeS-ELF3並沒有出現在Sh位點中。令人意外的是，在4號染色體上定位了到Homo的FhS-ELF3基因，且該基因編碼的蛋白序列發生了大片段缺失，因此，FhS-ELF3基因的易位和序列變異對甜蕎花柱形態至關重要，可應用於蕎麥花形態鑑定的分子標記開發。
03 研究總結
本研究構建了普通蕎麥純合子自花授粉變種F. esculentum var. homotropicum的染色體尺度高質量參考基因組。比較基因組和代謝組研究表明，包括FhFARs在內的多個基因家族的擴增是甜蕎比苦蕎分佈更廣泛的重要原因，而類黃酮代謝相關基因（如UGTs、FLSs、RDEs等）的拷貝數變異造成了甜蕎和苦蕎在蘆丁等黃酮物質含量上的差異。基於572份甜蕎種質的基因組變異圖譜，種群和進化基因組學揭示了國內和國外栽培群體之間與環境適應性和花發育有關的遺傳變異。多年生農藝性狀與黃酮類化合物含量的全基因組關聯分析表明，Fh05G014970是控制異交作物產量的關鍵農藝性狀，是潛在的花期主要調節因子，Fh06G015130是風味相關黃酮類化合物的關鍵基因。此外，FhS-ELF3的基因易位和序列變異也有助於蕎麥的同態自交親和性。本研究結果闡明了蕎麥的物種形成、生態適應、肥力和獨特風味的遺傳基礎，為今後蕎麥的基因組輔助育種提供了新的資源。
參考文獻：
Zhang K, He Y, Lu X, et al. Comparative and population genomics of buckwheat species reveal key determinants of flavor and fertilit. Mol Plant. 2023, S1674-2052(23):00248-4.
