点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制
首页> 光明科普云> 农业农村频道> 三农看点 > 正文

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

来源:光明网2024-02-13 22:00

  甘蓝类蔬菜作物种类众多,包括结球甘蓝(圆白菜)、花椰菜、青花菜、芥蓝、苤蓝、羽衣甘蓝、抱子甘蓝等十余种变种类型,在世界范围内广泛种植,是我国最重要的一大类蔬菜作物之一。甘蓝类蔬菜的形态变异十分丰富,如结球甘蓝由多层叶片包裹形成的叶球,抱子甘蓝腋芽分化形成的小叶球,青花菜、花椰菜茎顶端分化形成的巨大花球,苤蓝茎基部膨大形成的肉质球茎等。

  尽管类型丰富多样,其驯化历史相对较短(2500年以内,部分约500年)。与其他作物相比,甘蓝类蔬菜具有形态类型快速多样化驯化的特征。甘蓝类蔬菜在较短的驯化过程中形成异常丰富表型变异的机制尚不清楚。因此,揭示甘蓝类蔬菜快速驯化的驱动力,解析调控不同变种分化和特异性状形成的遗传机制是亟待解决的科学问题,对于甘蓝类蔬菜的分子设计育种具有重要意义。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队和甘蓝类蔬菜遗传育种创新团队,联合荷兰瓦赫宁根大学植物育种系生长与发育团队,在国际著名期刊Nature Genetics上发表题为“Large-scale gene expression alterations introduced by structural variation drive morphotype diversification in Brassica oleracea”的研究论文,构建了包含所有变种类型的甘蓝泛基因组,揭示了甘蓝变种快速驯化的隐藏驱动力,获得了一批重要性状的关键基因。

  众多甘蓝变种的形成主要有两条独立的进化路线

  该研究首先利用700余份甘蓝野生种和覆盖所有变种材料的重测序数据构建系统发育树,发现甘蓝变种主要起源于两个独立的驯化事件,一个驯化形成了以叶片/叶球形态多样化为主的分支,另一个形成了以茎和花膨大等形态变异为主的分支(下图)。

  研究人员据此选取了22个代表性野生甘蓝和变种材料,利用PacBio,Nanopore,Bionano和Hi-C等测序技术,构建了染色体水平的高质量基因组,其序列连续性、着丝粒完整性等与已发表的甘蓝基因组相比显著提升。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  704份甘蓝群体材料的进化树及代表性材料图片

  甘蓝变种的基因差异性丢失促进了其风味品质多样性的形成

  甘蓝变种除了形态多样之外,代谢物、风味等营养品质性状也丰富多样。基于22个新组装基因组和5个已发表的三代基因组,该研究构建了包含多个野生种和所有变种的甘蓝泛基因组图谱。比较甘蓝变种之间的同源基因保留情况,发现不同变种特异的基因丢失/保留存在着显著差异,且这些基因富集于特殊代谢物合成途径等。

  例如,在青花菜中的这些基因与硫酸盐转运、硫酯水解酶活性等代谢通路相关,而在苤蓝中该类基因与α-葡萄糖、维他命B6合成相关。研究结果提示这些在驯化过程中特异性丢失/保留的基因与甘蓝蔬菜变种的营养成分、风味品质等差异性形成相关。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  甘蓝泛基因组特征和变种特异基因分析

  SV调控基因表达是甘蓝类蔬菜形态多样性进化的“分子加速器”

  比较27个甘蓝基因组的序列差异,发现不同甘蓝变种基因组之间存在大量的结构变异(SV),且大多数(73%)位于基因上下游区域,这些结构变异不影响基因本身的功能而被保留和积累下来。研究发现约70%的基因表达变化与结构变异的状态相关,结构变异序列既可以促进基因的表达,也可以抑制基因的表达,促进基因表达的结构变异序列中含有显著多的转录因子结合位点,而抑制基因表达的结构变异序列具有显著高的DNA甲基化修饰水平。这些结果说明甘蓝变种间大量存在的结构变异通过调控相邻基因的表达剂量推进甘蓝变种多样性的形成。

我科学家发现结构变异驱动甘蓝类蔬菜驯化的新机制

  结构变异在基因组上的分布特征及其与相邻基因表达的关系

  该研究进一步构建了甘蓝的图形基因组,在700多份甘蓝群体材料中开展变种特异性驯化选择分析,挖掘到一批在不同变种中受到特异性驯化选择的结构变异及相关基因。

  综上所述,该研究构建了高质量的甘蓝泛基因组和图形基因组,揭示了结构变异是大量基因表达剂量改变的重要调节因子,驱动了甘蓝形态类型多样化的快速驯化。该研究为甘蓝变种形成的驯化机制提供了新的见解。该研究中建立的“结构变异-基因表达改变-表型变异”的调控模型,加深了对于结构变异调控性状形成机制的理解,对于回答“植物表型多样化是如何形成的”这一重大科学问题具有重要意义。

  中国科学院院士钱前表示,这项研究揭示了结构变异调控基因表达是甘蓝多样性进化的“分子加速器”这一重要规律。甘蓝群体中的结构变异能够改变重要性状调控基因的表达剂量,进而驱动一系列甘蓝形态多样性的形成。这一规律具有普遍性,相关成果不仅为农作物的应用基础研究提出了新的方向,也为未来种质创制与育种策略的制订提供了新思路。

  中国科学院院士黄三文表示,这项研究率先揭示了基因表达剂量作为驯化作用对象的驯化选择新模式,是对基因丢失或功能变异等驯化作用对象的重要补充,研究成果可为其他作物的驯化研究等提供参考。同时,这一成果也再次证明我国在十字花科基因组学领域处于国际领先地位。

  中国农业科学院蔬菜花卉研究所博士生李幸、副研究员王勇、荷兰瓦赫宁根大学蔡成成博士(现就职于中国农科院蔬菜花卉所)、中国农业科学院蔬菜花卉研究所季家磊副研究员、韩风庆助理研究员、张磊助理研究员为该论文的共同第一作者;中国农业科学院蔬菜花卉研究所程锋研究员、张扬勇研究员、荷兰瓦赫宁根大学Guusje Bonnema副教授、中国农业科学院蔬菜花卉研究所吕红豪研究员、张亢副研究员为该论文的共同通讯作者。本研究得到了蔬菜生物育种全国重点实验室、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程项目以及农业农村部园艺作物生物学与遗传改良重点实验室、以及荷兰TKI项目的资助。(宋雅娟)

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • “五一”假期首日迎来出行高峰

  • 乐享“五一”假期

独家策划

推荐阅读
董耀会的理想是在全国的长城沿线开发出一万个村,把长城沿线的优质农产品卖到世界各地。
2026-05-02 08:15
习近平总书记强调,要以更大力度、更实举措加强基础研究,提升我国原始创新能力,进一步打牢科技强国建设根基。
2026-05-01 18:40
加强基础研究,建设科技强国的必由之路。
2026-04-30 16:22
“AI投毒”“控评”“互踩”“人肉”“开盒”“算法黑箱”……AI时代,面对这些媒介乱象,该如何约束?
2026-04-30 09:02
近日,国家市场监管总局与教育部联合发布全国首批“专业与标准化教育融合试点单位”名单,位于江苏苏州太仓市的苏州健雄职业技术学院入选。如今,苏州健雄职业技术学院立足太仓“德企之乡”的实际需求,建校20余年来为太仓560余家德企直接输送技能人才或提供相关培训。
2026-04-30 08:59
西出世界屋脊,东汇百川入海,长江绵延6300多公里,滋养了源远流长的中华文明,哺育着勤劳勇敢的中华儿女。“各民主党派中央、无党派人士积极开展长江生态环境保护民主监督,立足实际,各展优长,推动中共中央有关决策部署落实到位。
2026-04-30 08:56
“刚出厂的机器人如同懵懂孩童,需要在数据喂养与场景训练中不断成长。”  他告诉记者,目前训练场的训练内容覆盖现代农业、工业制造、医疗康养等6大领域,精准对接12大产业、27个应用场景。
2026-04-30 08:55
2025年度全国十大考古新发现29日在北京揭晓,吉林东部长白山旧石器时代遗址群、河南新郑裴李岗遗址、河北宣化郑家沟遗址、甘肃庆阳南佐遗址、山西昔阳钟村遗址、河南郑州商城遗址、陕西富平长春遗址、山东青岛琅琊台遗址、浙江绍兴越国都城和汉六朝会稽郡遗址、宁夏贺兰苏峪口瓷窑址上榜。
2026-04-30 08:54
2010年,舒易来获得赴美国哈佛大学麻省眼耳医院联合培养的机会,在该院陈正一教授课题组继续开展耳聋治疗研究。2014年,舒易来带着最前沿的基因编辑理念回到复旦大学附属眼耳鼻喉科医院,继续探索耳聋治疗的新方法。
2026-04-29 10:43
一张4厘米见方、6微米厚的薄膜贴附于大脑功能区表面的硬脑膜外,就能采集到大脑信号。“北脑一号”已在研究者发起的临床研究中完成7例患者植入手术,器械在人体内累计工作时长超4.5万小时,初步验证产品的安全有效性。
2026-04-29 10:38
生物医药基础科研水平大幅提升。据统计,2023年,中国学者在生物医药领域三家全球顶尖学术刊物《细胞》《自然》《科学》发表的文章数量,跃升至全球第二,仅次于美国。在评选出的“2024年医疗界十大临床突破”中,有四项来自中国。
2026-04-29 10:33
乘坐自动扶梯时,很多人有“左行右立”的习惯:右侧站立,左侧留给赶路行人。可如果“左行”撞到了“右立”,还造成了一定损失,要担责吗?近期,上海铁路运输法院审结了一起相关案件。
2026-04-29 10:27
4月27日,农业法修订草案提交十四届全国人大常委会第二十二次会议审议。为突出耕地等农业资源保护和农业绿色发展,草案将现行农业法第八章“农业资源与农业环境保护”分为“土地等农业资源保护”“农业绿色发展”两章。
2026-04-29 10:13
教育部今天(28日)发布《普通高等学校本科专业目录(2026年)》,共新增38种普通高校本科新专业。本次获批申办高校可纳入2026年高考招生。
2026-04-28 11:22
目前,本科专业目录共涵盖13个门类、92个专业类、883种专业。
2026-04-28 11:20
中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源发掘与利用创新团队近日成功克隆了调控小麦分枝与主茎之间角度的关键基因,并揭示了其平衡调控小麦“站姿”的分子机制。
2026-04-28 10:01
作为牵头用户,生态环境部已有8颗环境和大气系列卫星在轨运行,还可统筹调用140余颗民商卫星数据资源。
2026-04-28 10:00
西南大学徐洛浩、刘海平教授团队联合德国科学院院士阿克塞尔·迈尔开展攻关,成功破解相关科学难题。
2026-04-28 09:59
人工智能的崛起为人类社会开启了变革的新纪元,深刻重塑着我们生活与生产的各个方面。而作为文明传承与思维锻造的核心路径,阅读在这一浪潮中经历着前所未有的影响与重构。
2026-04-28 09:57
透视农业农村经济“开门红”,其背后是国家战略引领、政策有力支持和市场社会力量的协同发力。
2026-04-28 09:46
加载更多