山东省农业科学院生物中心花生栽培与生理生态创新团队在被子植物两型结实基因组解析取得突破性进展

　　近日，山东省农业科学院花生栽培与生理生态创新团队联合山东师范大学和华大基因北方中心等多家单位在植物学领域国际知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=8.154）在线发表了题为“Insights into amphicarpy from the compact genome of the legume Amphicarpaea edgeworthii”的研究论文。该研究利用最新的测序技术和生物信息学分析方法，获得了一个高质量两型豆基因组，是目前唯一一个两型结实植物基因组，该研究为两型结实植物繁殖策略研究提供了重要基因组学资源，为揭示花生等地下结实等习性的演化提供了新线索。由于具有基因组小，种子较多等特点，作者建议今后将两型豆作为研究植物两型结实的模式植物。

 

　　地上/下两型结实是被子植物中一类独特的结实方式，是地上结实和地下结实的中间阶段，这种独特的繁殖策略被认为是植物对外界环境不确定性选择进化的结果。被子植物中13科24个属均存在两型结实现象，两型豆（A. edgeworthii）为豆科两型豆属一年生缠绕草本植物，常生于海拔300-1800米的山坡，喜湿怕高温，分布于中国东北、华北等地，在日本、北美亦有分布。其同一植株上能够产生三种类型的花，即地上开放花、地上闭锁花和地下闭锁花，能够分别在地上和地下发育成形态不同的果实，为典型的地上/下两型结实的代表植物，是研究植物地上/地下结实的理想材料。

 

　　该研究采用三代Nanopore测序技术结合染色体构象捕获（Hi-C）技术成功组装了两型豆染色体水平的高质量参考基因组序列。该基因组组装大小约为299 Mb，contig N50约为9.7Mb，共鉴定到27,899个蛋白质编码基因。比较基因组分析显示，两型豆与大豆属植物的亲缘关系最近。研究发现，两型豆基因组是目前已测试的920个豆科植物中最小的，其可能原因是基因组在进化过程中由于同源重组不平衡导致长末端重复反转录转座子含量减少所致。同时，在两型豆基因组中发现，与抗病和抗逆性相关的基因家族发生了显著收缩及基因丢失，推测与两型豆“两头下注（bet- hedging strategy）”的生殖策略有关，是对该物种较弱环境适应能力的一种补偿机制。

 

　　对两型豆的开放花与闭锁花基因组分析发现，推测导致两型花发育差异的原因是由两型豆的花发育“ABCE”模型中MADS-box基因具有不同的表达模式所致。正选择基因分析显示，控制花瓣发育AP3同源基因在两型豆基因组中受到正选择。此外，地上/下两型结实植物的地上/下种子往往具有不同的休眠性。研究发现两型豆中的地上和地下种子的休眠特性与其种皮的硬实度有关。结合地上与地下果实种皮结构和基因不表达数据，鉴定了多个蜡质及角质层合成途径关键基因，这些基因的表达差异可能与地上和地上种子硬实性有关。

 

　　山东农科院生物技术研究中心刘译阳博士，山东师范大学生命科学学院张学杰教授和华大基因北方中心韩凯为论文共同第一作者，山东农业科学院生物技术研究中心万书波研究员，李国卫研究员，华大基因北方中心范广益博士为共同通讯作者，团队多位教师和学生也参与了该项研究，同时也得到了国内外多家单位相关研究学者的参与和支持。研究工作受到了国家自然科学基金和泰山学者等项目的资助和支持。