Nat Genet IF31.7 | 113份群体叶绿体测序和369 份花生群体重测序揭示了花生的进化历史和表型多样化

背景导读

栽培花生（Arachis hypogaea L.）作为食用油和蛋白质的可持续且经济的来源，在全球3200万公顷的种植面积上年产5400万吨。这种作物是异源四倍体，其基因组为AABB型，大约有2.7Gb。其四倍体可能源自两个野生物种——Arachis duranensis（基因组AA型，约1.25 Gb，作为雌性亲本）和Arachis ipaënsis（基因组BB型，约1.56 Gb，作为雄性亲本）——之间的种间杂交和多倍体化。

花生是一种自花授粉的物种，特征是遗传变异水平较低，这是由于一系列驯化瓶颈造成的；尽管如此，它表现出较大的形态变异。主轴上有无花朵以及开花模式，交替或顺序，将 A. hypogaea 分为两个亚种的基础，即 hypogaea subsp. hypogaea (Ahh)和A. hypogaea subsp. fastigiata (Ahf)。额外的性状导致了在 Ahh 中区分出两个植物变种（变种 hypogaea 和变种 hirsuta），在 Ahf 中区分出四个植物变种（变种 fastigiata、变种 vulgaris、变种 aequatoriana 和变种 peruviana）。育种工作导致了这些分类群之间的杂交，从而产生了不规则的形态。如今，一个广泛使用的花生分类是按照五个主要市场类型（Virginia,Runner, Peruvian Runner, Valencia and Spanish）来划分的。

本研究通过结合大量种质资源收集的叶绿体和全基因组序列数据，展示了两个花生亚种（hypogaea和fastigiata）可能源自不同的异源多倍体形成和驯化事件。然后，根据传播路线和育种，区分了花生遗传簇。联合使用连锁图谱和全基因组关联研究，表征与主要花生形态农艺性状相关的基因和基因组区域，即开花模式、内种皮颜色、生长习惯、荚/种子重量和油含量。

花生的进化历史和遗传结构

对36份野生材料（包括34份二倍体和2份四倍体）及77份栽培材料进行了叶绿体基因组从头测序，明确区分了花生的亚种和变种，并在113个叶绿体基因组中发现了1884个多态性位点。通过Sanger测序和KASP技术对部分多态性进行了验证。此外，对11份A. duranensis、1份A. ipaensis、2份A. monticola和353份A. hypogaea进行了全基因组重测序，产生了大量数据，并通过KASP分析验证了高比例的SNP位点。研究发现，变异在花生基因组中的分布不均，A亚基因组的变异密度较低，而B亚基因组变异密度较高。这些结果为理解花生的遗传多样性和进化提供了重要信息。

图1:花生的系统发育和遗传结构

叶绿体基因组测序揭示了花生母系遗传和多倍体起源，其中A. duranensis被确认为A. hypogaea的母系供体。系统发育分析显示，A. hypogaea的两个亚种Ahh和Ahf源自不同的母系，且A. monticola可能起源于Ahh的杂交。核基因组重测序数据通过主成分分析和聚类分析进一步证实了两个亚种之间的明显区别。基因组树的不一致性可能由重组引起，导致某些染色体区域的基因组构成变化。

SNP分布分析显示，Ahh和Ahf的异源多倍体起源不同，且不同品种间存在大量的固定等位基因差异。连锁不平衡(LD)衰减在不同品种间有显著差异，反映了遗传多样性和选择压力的不同。单倍型分析揭示了促进亚种多样化的高分化基因组区域。育种历史对遗传结构有显著影响，不同品种间的杂交产生了多样的遗传组合，其中一些品种显示出特定的遗传聚类，表明了地理和形态特征对育种的影响。

与花生亚种间分化相关的基因

花生亚种Ahh和Ahf的进化历史不同，表现在开花模式、枝数、生长习性和内种皮颜色等性状上。Ahf的开花模式是顺序的，而Ahh是交替的，这在适应不同生态系统中发挥作用。通过两个RIL群体定位，发现第12染色体末端有一个主QTL，与开花模式相关，包含52个基因，其中arahy.BBG51B（AhTFL1）与移码突变相关，可能是控制开花模式的候选基因。GWAS分析确认了AhTFL1与开花模式的强关联，且在Ahf中的表达低于Ahh。分支总数的GWAS导致与AhTFL1共定位的信号最强，表明AhTFL1可能对该性状具有多效性。

图2:花生花型和总分枝数TNBs的遗传调控

另一个特征是内种皮颜色的差异，Ahh的内种皮总是黄色，而Ahf总是白色。GWAS和RIL群体图谱显示与5号染色体上的区域强关联，QTL细化到107.88 kb，包含与内种皮颜色相关的基因arahy.0C6ZNN（AhLAC）。AhLAC与拟南芥AtLAC15同源，影响种皮颜色。GWAS信号最强的是AhLAC的68.96 kb区域，测序显示两个突变与内种皮颜色完全共分离。异源过表达AhLAC在拟南芥的功能缺失突变体中部分补充了Attt10，且转基因表达水平与种子亮度水平呈负相关，表明AhLAC通过类黄酮氧化聚合影响种皮颜色。

图3:内种皮颜色的遗传控制

花生主要经济性状的遗传解剖

花生的生长习性（直立或匍匐）对栽培实践有重要影响。GWAS和遗传定位研究揭示了15号染色体上的一个关键基因组区域，与生长习性相关。通过新开发的KASP标记筛选重组体，QTL被精确定位到299.11 kb区域，包含20个基因。其中一个MADS-box基因（arahy.ATH5WE）因显示编码序列内的突变（1870 bp的缺失）而被选为候选基因。GWAS信号与该MADS-box同源基因的距离很近，且与拟南芥中的AtPI和AtAP3具有同源性。3个基因突变与直立表型共分离，表明MADS转录因子可能是决定花生生长习惯的关键因素。

图4:生长习性的遗传控制。 

荚果和籽粒大小以及籽粒含油量是花生的重要商业性状。基于RIL群体的定位分析表明，籽粒重、粒长和荚果重具有遗传相关性，且5号和16号染色体上的QTL与先前研究一致。GWAS 分析进一步证实了这些染色体上的标记-性状相关性，并在6号染色体上发现了新的信号。含油量的GWAS分析突出了8号染色体上的主要信号，与之前研究中绘制的QTL相对应，为花生的遗传改良提供了潜在的分子标记和候选基因。

图5:HPW、HKW和SL的GWAS。

讨论

这项研究报告了大规模 DNA 测序工作的结果，从而能够对与花生进化历史和表型多样化相关的主要事件进行精细重建。通过对包括叶绿体供体野生种 A. duranensis 的几个种质在内的大量种质面板进行叶绿体基因组测序和系统发育分析，提供了确凿的证据表明花生亚种 Ahh 和 Ahf 是由不同的多倍化和驯化事件产生的。这通过两个分类群之间和内部的遗传多态性特征得到了证实。值得注意的是，根据我们的研究结果，多项多倍化事件被报道是几种物种进化的基础。Ahh 和 Ahf 的独立起源解释了参考文献 5 和参考文献 15、30 中相互矛盾的发现，分别追溯到花生多倍化<10,000 年前和 0.42-0.47 百万年前，这在先前存在争议。事实上，这两个研究小组的进化分析基于不同的参考基因组序列，来自 Ahh 品种 Tifrunner 和 Ahf 品种 Shitouqi。我们预测，本研究中使用的研究方法可能会转移到其他起源仍然难以捉摸的异源多倍体植物物种上。两种独立的作图方法（GWAS 和双亲连锁分析）被用于研究 Ahh 和 Ahf 之间表型差异的遗传基础以及若干重要经济性状的遗传控制。这种选择是有道理的，因为需要增加 GWAS 方法获得结果的可信度，尽管该方法允许更高的作图分辨率，但在 A 和 B 基因组同源区域显示高度序列相似性或同源重组将基因组公式从预期的 AABB 改变为 AAAA 或 BBBB 的情况下，可能会导致假阳性信号。AhTFL1 被鉴定为可能控制花生开花模式的基因，这与之前在拟南芥和其他作物物种中的发现一致，尽管花生总状花序具有独特的特征。持续开花通常与早熟相吻合，这在生长季节较短的地区是理想的。值得注意的是，我们还表明，内果皮的色素沉着可能源于漆酶基因 AhLAC 的突变，尽管需要进一步研究来阐明 AhLAC 是否通过黄酮类化合物的氧化聚合促进果皮色素沉着，就像在其拟南芥同源物 AtTT10 中所示的那样。果皮颜色会影响植物（包括豆类）的多种生理和经济性状，例如种子休眠、对病原体和害虫的反应以及种子营养性状；因此，这一发现可能对植物科学家和育种者具有广泛的兴趣。可以推测，Ahf 中白色内果皮的出现导致了该亚种种子休眠的缺失，与 Ahh 相反。这一性状使 Ahf 更适合在温暖环境中种植，并允许连续收获。总之，本研究中报道的数据为进一步加快花生遗传改良提供了重要的基因组资源，这里呈现的结果可能对植物科学界和植物育种界具有广泛的兴趣。

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