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Nature Genetics | 省农科院科研团队首次阐明中国花生的引进传播途径及遗传改良分子机制

2024-02-27 17:30

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

花生是我国的主要油料和经济作物之一。2020年我国花生总产量达到1805万吨，占全球产量的33.64%。花生起源自南美洲，在后哥伦布时期广泛传播，经过自然演变和人工驯化，产生了大量高产优质的地方品种和育成品种，这些品种为我国花生种质的改良提供了宝贵的遗传资源。

在国内市场对于植物油和蛋白质供给不足的当下，花生的生产发展在增加农民收入、促进农业生产良性循环、以及提升油料行业国际竞争力等方面起到了举足轻重的作用。花生是广东省单一种植面积最大的油料作物，全年播种面积约550万亩，年产花生约110万吨，占全省油料总播种面积的97%以上。

时至今日

广东花生能保持如此大的种植面积

离不开广东省内花生育种工作者

默默无闻的辛勤付出

我院作物研究所（下称“作物所”）花生研究团队

培育的“粤油”系列花生品种

在广东省年种植面积超过350万亩

覆盖率占全省60%左右

花生全基因组测序、

荚果发育功能基因组与现代分子育种等

处于国内领先和国际先进水平

潜心钻研

花生遗传改良研究成果取得新突破

2月20日，我院作物所花生研究团队基因组学研究成果在国际顶级学术期刊《自然·遗传学（Nature Genetics）》在线发表（论文详情解读请见https://www.nature.com/articles/s41588-024-01660-7）。

至此

继2016年的二倍体花生野生种基因组

（PNAS，2016，113：6785-6790）

2019年的四倍体栽培花生基因组

（Molecular Plant，2019，12：920-934）

破解完成后

花生研究团队在花生遗传与育种领域

接连取得重大科研突破

从野外到田间、从个体到群体

助力我国花生遗传育种事业走在世界前列

该研究由花生研究团队牵头，历时五年，对390个全球范围内收集的花生种质资源材料进行基因组重测序，阐明了中国花生的引进与传播途径，解析了花生重要农艺性状遗传变异，揭示了花生遗传改良的分子机制，提出了深入理解我国花生遗传多样性和传播演化进程的重要线索，为全球花生的遗传改良和育种策略的优化提供了重要的遗传资源。

我国种植的花生到底从何而来？

哪些基因在遗传改良中起着决定性因素？

一颗小小的果实到底蕴藏着多少生物“密码”？

这篇论文为我们解开了谜底！

创新点之一

对390个全球范围内收集的花生种质资源材料进行测序，鉴定出了880万个单核苷酸多态性（SNP）和210万个插入和缺失（InDel）变异，构建了国际上首张花生全基因组变异图谱。

创新点之二

通过系统发育和种群结构分析初步证实了我国花生引入后，分别形成了以华北和珠江流域为核心区域的两大栽培中心，并且两个主要花生产区在长期育种过程中频繁进行基因交换。基因流推断分析表明我国北方地区的花生类群的基因流主要来自北美，而中国南方的花生则是从南亚和东南亚迁移而来，这也初步印证了多个农史资料的结论。

创新点之三

通过全基因组选择清除和重要农艺性状关联位点的联合分析，在全基因组水平上找到上千个选择清除区域，并且有多个区域与产量、品质的关联位点重叠，初步证实了我国不同产区对花生产量和品质的选择差异。

创新点之四

通过对我国南方产区育种系谱测序分析，结果找到2064个核心基因模块，并且与上千个产量和品质显著性SNP重叠，初步解析了我国南方花生产量和品质育种的基因组分子“驱动力”。

创新点之五

利用全基因组关联分析挖掘到株型和含油量新候选基因并进行了初步验证，为后续的育种利用提供新的基因资源。

多年积淀

解析“金种子”基因密码

这份收获来自于团队多年的专注研究

从上世纪80年代至今

始终致力于花生高效育种

科技创新的接力棒不断传承

“花生长在地下，我们是‘地下工作者’。”论文通讯作者、国家花生产业技术体系岗位专家、作物所梁炫强研究员曾经风趣地说。在上世纪80年代，梁炫强带领花生研究团队攻坚克难，针对南方花生产业问题，制定研究方向与策略。五十载栉风沐雨、砥砺前行，团队经过几十年的不断努力，培育出了一大批 “粤油”和“航花”系列花生新品种，并在我国南方产区大面积推广应用，使南方花生单产提高40%以上，实现了第一次飞跃，取得显著社会效益。成果先后获得国家、省（部）级科技奖20余项。

梁炫强

“十三五”以来，在作物所花生研究学科带头人陈小平研究员的带领下，团队踏上了分子育种的探索之路。作物基因组的解析是分子育种的前提和基础。但是栽培种花生是异源四倍体作物，其基因组大（约2.6Gb）、重复序列高（约60%）、亚基因组间同源性高，这些因素使得国际花生基因组破解一直处于一片空白，也成为限制花生分子育种快速发展的瓶颈。

陈小平

花生研究团队并没有被困难所阻。2012年开始，陈小平带领团队以栽培种花生的野生祖先为突破，经过4年多的不懈努力，成功完成了花生二倍体野生种基因组测序研究，并发表在国际著名期刊PNAS（2016，113：6785-6790）。该研究为全世界花生研究者提供了较为近似的参考基因组，在国际上形成了良好的学术影响。

花生野生种及在PNAS发表的文章

但对于栽培种花生的分子育种应用而言，野生种参考基因仍然存在很大缺陷。在此基础上，陈小平带领团队随即开始了四倍体栽培种花生的基因组破解。研究材料的选择将直接影响后续遗传变异图谱构建和功能基因定位。经过反复考虑，陈小平最终选择了伏花生作为了研究对象。“伏花生是过去半个世纪以来中国花生育种中广泛使用的亲本，其直接或间接后代在花生品种中的比例达70%以上，具有很强的代表性。”陈小平介绍。

确定材料之后，团队进行了一系列建库测序、组装和注释，最终完成了伏花生基因组草图的绘制，还在此基础上鉴定出了栽培花生在进化和油脂合成的关键酶类。经过3年多的努力，这项成果在国际顶级期刊Molecular Plant（2019，12：920-934）上以封面文章的形式公布，再次引起了国际科研界的广泛关注。栽培种参考基因组的成功解析为全世界花生育种者开展分子育种、基因功能挖掘等提供了高质量和高精度的基因组地图。

在Molecular Plant发表封面文章

不忘初心

抢占基因资源研究高地

单个参考基因组所能解析的遗传变异十分有限，花生全基因组水平的大规模遗传变异尚未挖掘，花生重要农艺性状的遗传解析及关键基因鉴定亟待完成。

在获得栽培种基因组之后

花生研究团队并没有懈怠

他们深知

基础科技创新主动权、发展主动权

必须牢牢掌握在自己手中

“高质量的单个参考基因组，为我们的遗传变异图谱构建及重要农艺性状的遗传解析提供了精确的‘导航地图’，但是单个基因组解析的遗传变异十分有限。作物种质资源的创新与利用是当前和未来作物遗传改良最重要的内容。优异基因资源是未来生物育种的重要战略资源，快速占领基因资源的‘战略高地’成为又一个挑战。”该论文第一作者鲁清博士表示。

鲁清

为此

花生研究团队在2019年加快启动了

花生大规模种质资源的全基因组重测序项目

并开展了遗传图谱构建、

遗传多样性与传播演化分析、

重要农艺性状的遗传解析等研究

向下一个科研高地冲刺

作为国内最早从事花生遗传育种的单位之一，花生研究团队自上世纪50年代便已开始了花生种质资源的收集、鉴定和保育研究，迄今已经收集保存花生种质资源5000余份，是我国南方地区保存花生种质资源最多的团队之一。团队从庞大的资源库中筛选出了390份代表性的核心种质开展了研究。

种质资源材料需要多年多环境种植、采样、收获。春来秋往，年复一年，这是一项繁琐、复杂、需要耐心的工作。在广州高温高湿的夏季，60亩实验地里总能看见花生研究团队各个成员共同努力，互相配合的身影。

花生种质资源多样性

获得样本仅仅是第一步

要解析农艺背后的遗传基础

还有很多工作要开展

花生有价值的农艺性状有很多，需要综合考虑每种性状的育种价值、考察难度、花生生长周期等因素来进行取舍。最终，团队一致认定选择包括含油量在内的28个关键性状作为重点研究的目标。“花生作为一种重要的油料作物，对稳定我国油料产能，具有重要意义。含油量相关新基因的挖掘是花生研究的一个重要方向，找到调控花生含油量的关键基因，就找到了培育高产高油新品种的钥匙”鲁清说。虽然国内外多个团队进行了相关的尝试，也取得了一定进展，但是从全基因组层面、从数百万个变异位点中进行大规模样本的综合解析，尚属首次。

科研路上没有平坦的大道，只有不畏艰险、勇于创新，沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到顶峰。在新基因挖掘的道路上，团队新进成员黄璐博士负责生物信息学分析，开展样本的建库测序和比对，寻找变异位点并作关联分析，结合进化分析和连锁分析，最终锁定了多个目标候选基因；团队成员刘浩博士则负责开展多个候选基因验证，通宵达旦属于常态......通过查阅大量文献和多方面实验证据，团队终于挖掘到一个调控花生含油量的关键基因AhWRI1。该基因也在其它物种中被报道参与了脂质合成相关的通路。

在含油量之外

团队在荚果产量、株型等

多个重要农艺性状的遗传基础解析上

均取得了重要突破

“通过我们研究鉴定的这批关联位点以及候选基因，挖掘到花生分子育种和作物改良的巨大潜力，未来我们还将继续努力，利用功能基因组学方法如遗传转化和基因编辑，来验证这些基因在花生中的生物效应。”作物所洪彦彬研究员表示。

洪彦彬

华南地区是我国花生重要的产区之一，以往的品种多以小果小仁的珍珠豆类型为主单产偏低。经过南方产区育种家近40年的选育，培育了多个南方大果超高产花生。但在长期的育种过程中，到底基因组发生了哪些变化，哪些基因或基因片段被保留，哪些被淘汰，其背后的分子遗传机制一直悬而未决。

在这次项目中，通过对南方经典系谱11个关键品种进行基因组变异解析，鉴定出了上千个在育种中被保留的基因模块，其中包括2064个产量、品质、抗性相关的核心基因模块，并挖掘到一个影响荚果产量的关键候选基因。“这一重要发现既为此前杂交育种实践正确性提供了证据，也为后续基于分子遗传技术的花生改良指明了方向，更是一代代花生育种人接力传承，不断突破的精神写照。”梁炫强感慨道。

2022年4月文章写作完成

投稿至国际顶级学术期刊

《自然·遗传学（Nature Genetics）》

2024年1月9日被接收

2月20日正式在线发表

“这是一项大规模的研究，完成了很多系统和完备的工作，提供了很多重要的结果，具有相当的原创性和巨大的实践意义。”审稿专家对成果这样评价。

扎根土地

继续探索花生高效育种征途

落其实者思其树

饮其流者怀其源

花生研究团队能取得丰硕成果

与优秀的科研人才团队建设

和自始至终坚持学科方向

是密不可分的

自上世纪五十年代起，作物所花生研究室便开始从事花生遗传育种工作，也是国内最早从事花生育种与栽培研究的团队之一。

经过半个多世纪的发展，花生研究团队已形成一支年龄梯度合理、分工明确、产学研相结合的高水平队伍。现成员共15人。其中二级研究员1人、享受国务院特殊津贴专家1人、国家花生产业技术体系岗位科学家1人、国家花生产业技术体系广州综合试验站站长1人、广东省特支计划科技创新领军人才1人、广州市珠江科技新星2人。承担国家级、省部级等项目30余项；培育了“粤油”和“航花”系列花生新品30余个；获得国家级、省部级科技成果奖励20余项；在Nature Genetics、PNAS、Molecular Plant、Trends in Plant Science、Plant Biotechnology Journal等学术期刊发表论文300余篇。团队分别被列为我院“十三五”和“十四五”的“优势学科团队”和“杰出学科团队”，成为院重点培育的创新型研究团队之一。