天天通讯！Genome Biology:揭示大蒜种群进化历史

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近日，扬州大学园艺与植物保护学院葱蒜生物学团队联合国内外多个科研团队共同揭示了大蒜种群进化历史，发现中国主栽的四六瓣蒜和多瓣蒜是独立驯化的两个大蒜组群。研究成果以题为“Genomic insights into the evolutionary history and diversification of bulb traits in garlic”发表在Genome Biology（中科院一区， IF=17.9）。大蒜是我国重要的蔬菜作物，年播种面积达上千万亩。大蒜也在世界各国广泛种植，并有数千年种植历史。一般认为，大蒜起源于中亚、西亚或地中海区域，但有关其确切的起源中心，目前仍然未知。此外，对于大蒜的野生祖先种也颇具争论，分类学等证据认为大蒜由野生Allium longicuspi 驯化而来，但也有学者提议Allium tuncelianum才是大蒜野生祖先。可见，有关大蒜的进化起源当前知之甚少。该研究首先通过GBS技术对230个大蒜种质进行测序以推断群体结构，发现大蒜种质主要存在四个类群，其中位于中国主栽的四六瓣蒜和多瓣蒜种质分别来自CG1和CG2组群，另有一个类群OG，其亲缘关系更接近韭葱，且主要来源于地中海、中西亚等大蒜起源地，推测OG基因组更接近大蒜野生种。然后通过对84个核心种质进行重测序，共检测到129.4 Mb变异。有效群体动态分析、基因流和驯化选择区间分析推测CG1和CG2分化于数十万年前，之后各自独立驯化。深入分析CG1和CG2的有害突变，发现大蒜经长期独立进化/驯化后，组群间的有害突变重复率极低（<9%）。大规模的RNA-sequencing也表明，长期独立进化和驯化导致CG1和CG2组群间的转录组结构实现了重塑，9400个大蒜基因在两组群间存在表达差异。鳞芽数和鳞芽重量决定了大蒜鳞茎产量，它们在三个组群间存在显著差异。例如，CG1为四六瓣蒜，其鳞芽数显著低于OG和CG2类群。研究人员结合关联转录组分析、全基因组关联分析和单倍型分析等证据，鉴定到一个TB1同源的Asa2G00245.1和一个AXR同源的Asa2G00503.1为鳞芽数性状候选基因，并发现它们在CG1组群中受到强烈选择。推测它们的选择与CG1种质鳞芽数少相关。此外，该团队还开展了鳞芽膨大前后的鳞茎部位转录组分析，发现4658个大蒜基因在鳞茎膨大期发生了表达变化。进一步的关联转录组和单倍型分析证据显示，差异表达的Asa6G06199.1（Flowering locus T 同源基因），DELLA基因Asa2G00237.1和GA20氧化酶基因 Asa4G02474.1可能为鳞茎重量性状候选基因。有意思的是，研究人员发现这些鳞芽性状候选基因要么仅在CG1中受到选择，要么仅在CG2中具有选择信号，推测鳞芽性状在两个组群间的进化选择是独立进行的。综上所述，本研究发现中国主栽的四六瓣和多瓣蒜大蒜组群源自于独立驯化。长期独立进化/驯化导致两组群大蒜转录组结构重塑，有害突变单独积累，且鳞芽性状相关基因要么仅在CG1中具有选择信号，要么仅在CG2中受到选择，导致了鳞芽性状在两组群间高度分化。扬州大学青年教师高松为该论文并列第一作者，刘头明教授为通讯作者，该研究得到国家自然科学基金、中国农业科学院农业科技创新工程、中央公益性基本业务费及山东省重点研发计划等项目资助。