《Nature Genetics》四倍体烟草基因组与基因库基因组学：解锁基因组进化与复杂性状调控密码

《Nature Genetics》：The genome and GeneBank genomics of allotetraploid Nicotiana tabacum provide insights into genome evolution and complex trait regulation

为解析烟草基因组进化、表达协调、遗传多样性及复杂性状调控等问题，中国农业科学院烟草研究所等多机构研究人员开展了烟草相关研究。通过多种分析方法，揭示了多方面成果，他们的研究成果发表在《Nature Genetics》上，为烟草及相关植物的研究开辟了新的道路。。

　　

烟草，作为一种在遗传学研究中占据重要地位的模式生物，是由野生烟草（Nicotiana sylvestris）和绒毛状烟草（Nicotiana tomentosiformis）杂交形成的异源四倍体植物。在漫长的进化历程中，植物的全基因组复制现象十分普遍，这一过程被认为在应对全球环境变化时，对植物的适应性起到了关键作用。然而，多倍体形成后的基因组进化机制仍存在诸多谜团。就烟草而言，其基因组中高度重复的区域以及来自两个祖先物种的相似同源序列，给基因组的完整组装带来了巨大挑战，使得人们对烟草基因组和转录组受相关进化过程的影响知之甚少。同时，尽管烟草商业品种繁多，具有丰富的表型多样性，但主要烟草类型之间的遗传分化，以及两个亚基因组的变异如何导致这些显著的表型差异，仍然是未解之谜。深入探究这些问题，不仅有助于揭示多倍体植物的进化和适应机制，还能为多倍体作物经济性状的遗传调控研究提供重要线索。

为了攻克这些难题，中国农业科学院烟草研究所联合多所科研机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Genetics》上，为烟草及相关植物的研究开辟了新的道路。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在基因组测序与组装方面，他们采用了 Illumina 短读长测序、PacBio 长读长测序、10X Genomics linked reads 和 Hi-C 测序等技术，对烟草及其祖先物种的基因组进行测序，并通过混合组装策略获得高质量的染色体水平基因组组装结果。对于基因表达和甲基化分析，研究人员进行了 RNA 测序（RNA-seq）和亚硫酸氢盐测序（bisulfate-seq）。在群体遗传学研究中，利用基因分型测序（genotype-by-sequencing）对大量烟草种质资源进行基因分型，并结合全基因组关联研究（GWAS），挖掘与性状相关的遗传变异。

下面来详细看看具体的研究结果。

• 基因组进化：研究人员通过 k-mer 分析和流式细胞术分析，对烟草、野生烟草和绒毛状烟草的基因组大小进行了准确估计，分别约为 4.38Gb、2.38Gb 和 2.24Gb。通过复杂的测序和组装工作，最终获得了高质量的基因组组装。烟草基因组组装序列达 4.17Gb，大部分序列成功锚定到 24 条假染色体上；野生烟草基因组实现了近乎端粒到端粒的组装，仅有 3 个缺口；绒毛状烟草基因组虽存在 5 个复杂区域，但也完成了 2.24Gb 的序列组装。基因注释发现，烟草、野生烟草和绒毛状烟草分别拥有 80,433、40,290 和 37,862 个蛋白质编码基因，且重复序列在基因组中占比较高。通过比较基因组分析，研究人员发现烟草基因组与祖先物种基因组存在大量共线性区域，但也有染色体倒位、重复和缺失等重排事件。此外，烟草基因组在进化过程中出现了向 T 亚基因组的偏向性缩减，且约 7.56% 的长末端重复反转录转座子（LTR）在两个亚基因组融合后插入。

• 亚基因组表达差异和表观遗传修饰：研究人员对两个祖先物种和烟草进行 RNA-seq 和 bisulfate-seq 分析，发现烟草基因的整体表达与祖先相似，但存在部分差异表达基因。基因表达的变化与表观遗传修饰相关，例如在基因表达上调时，CHG 甲基化水平显著降低。研究还发现，虽然整体上未发现同源基因表达偏向（HEB），但有 5,753 对同源基因在两个亚基因组间差异表达，其中部分是由多倍化引发的。基因本体富集分析表明，偏向 S 亚基因组和 T 亚基因组的同源基因在防御反应、开花发育等过程中显著富集。

• 遗传多样性：研究人员对 5,196 份烟草种质资源进行基因分型，涵盖了多种烟草类型。分析发现，地理起源对烟草遗传结构影响显著，遗传结构与传统基于农艺实践定义的类型并不完全匹配。例如，烤烟和晒烟在遗传结构上有明显区分，但同一类型内不同地理来源的样本差异也较大。此外，不同烟草类型间的基因池较窄，但部分类型存在多峰的 IBS 值分布，表明可能有外来材料的基因渗入。

• 亚基因组分化与复杂性状调控：利用全基因组标记和表型数据，研究人员进行 GWAS 分析，鉴定出 178 个与 39 个性状显著相关的标记 - 性状关联，构建了基因型 - 表型图谱。通过分析亚基因组对复杂性状变异的贡献，发现除黑胫病抗性外，T 亚基因组在其他抗病性状中解释的变异比例更大；而 S 基因组在现蕾时间、黑胫病抗性和叶片数量等性状上贡献更大。研究还发现，部分同源基因对（HEB）在复杂性状变异中发挥了重要作用。

• Arf9 与叶片宽度变异：在对叶片形态性状的研究中，研究人员检测到多个与叶片宽度（LW）相关的数量性状位点（QTL）。对其中一个位于 chr. 23 的 QTL 进行精细定位，发现 NtZY23G02972 基因（拟南芥 Auxin Response Factor 9，Arf9 的同源基因）是潜在的候选基因。通过 CRISPR-Cas9 基因编辑技术敲除该基因后，烟草叶片宽度显著增加，证实了其在调节叶片发育中的重要作用。

• 正选择和多基因选择特征：研究人员对不同育种阶段的烟草种质资源进行分析，发现部分性状在育种过程中呈现出连续变化的趋势。一些 QTL 的等位基因频率在育种过程中发生改变，如与叶片宽度相关的 QTL，其 T 等位基因频率不断增加，表明该等位基因受到正选择。此外，多基因评分分析表明，微效等位基因对部分性状变异的贡献较大，体现了多基因适应在人工选择中的重要作用。

研究人员通过对烟草基因组和基因库基因组学的深入研究，成功揭示了烟草基因组进化、亚基因组转录组和表观基因组分化的特征，检测了全球烟草种质资源的遗传和表型多态性。这些研究成果为理解多倍体物种的亚基因组进化和复杂性状遗传调控提供了宝贵的见解，同时也为未来的比较基因组学、植物功能基因组学和作物改良研究提供了丰富的资源和重要的理论基础。