NP | 华中农大公布油菜泛基因组，揭示油菜生态型分化的结构变异基础

2020年1月13日，植物学领域国际学术期刊Nature Plants在线发表了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室油菜遗传改良研究团队与生物信息团队合作的研究论文“Eight high-quality genomes reveal pan-genome architecture and ecotype differentiation of Brassica napus”，公布了8个甘蓝型油菜品种的高质量参考基因组，以及基于9个参考基因组构建的油菜泛基因组和统一的基因索引（gene index）。结合油菜巢式关联作图（Nested Association Mapping, NAM）群体揭示了冬性、春性和半冬性油菜生态型分化及开花期变异的分子基础。该研究为进一步解析甘蓝型油菜基因组结构、加速油菜品种改良提供了重要资源，对重要农艺性状基因定位和克隆有重要意义。

油菜是世界第二大油料作物，在长期驯化栽培过程中产生了广泛的变异。根据开花对低温的需求将油菜分为三种生态类型：冬性油菜（WORs，需长时间低温春化）、春性油菜（SORs，不需要低温春化或短时间低温春化）和半冬性油菜（SWORs，需要一定时间的低温春化）。油菜是异源四倍体物种，基因组复杂，尽管已发布多个品种基因组草图，但其质量和代表性不足以满足油菜功能基因组学研究和品种改良的需求。

该研究对两个冬油菜品种（Quinta和Tapidor）、四个半冬性油菜品种（中双11、浙油7号、胜利油菜、Gangan）和两个春性油菜品种（Westar和No2127）进行二代（Illumina）和三代（PacBio）测序和组装，并以HiC和BioNano辅助组装和矫正，获得甘蓝型油菜8个高质量参考基因组。组装的基因组contig N50为2.1-3.1 Mb，提升54-80倍；scaffold N50为50.90-57.88 Mb，提升66-76倍；基因组大小为1.001-1.003Gb。比较发现，油菜基因组除存在大量单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism, SNP）外，还存在大量的结构变异（Structural Variation, SV）和存在/缺失变异（presence/absence variation,PAV），PAV变异最多可达基因组的六分之一。利用本研究组装的8个高质量参考基因组和以前发表的Darmor基因组构建了油菜泛基因组，大小约为1.8 Gb，包含约15万个基因；还构建了统一的基因索引，方便研究者查询和比较不同基因组中的对应基因。油菜泛基因组资源数据库存储于http://cbi.hzau.edu.cn/bnapus/。

油菜角果长和粒重是重要的产量相关性状，利用泛基因组鉴定的变异信息在刘克德教授课题组前期构建的BN-NAM群体中进行全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study，GWAS）发现，基于SNP的SNP-GWAS检测到控制角果长、粒重的lead SNP位于目标基因BnaA9.CYP78A9非编码区；基于PAV的PAV-GWAS检测到lead PAV位于目标基因BnaA9.CYP78A9启动子区，前期研究表明该PAV变异直接调控了表型的变异（Shi et al., 2019）。

开花是植物从营养生长转为生殖生长的关键过程，与产量密切相关。本研究对BN-NAM群体开花期分别进行了SNP-GWAS和PAV-GWAS，两种方法分别鉴定了多个相同的开花关键基因，如3个开花抑制因子FLC，BnaA10.FLC、BnaA02.FLC和BnaC02.FLC。PAV-GWAS鉴定到的峰值PAV都位于FLC基因的启动子或编码区。分析210个不同类型的油菜品种发现，BnaA10.FLC、BnaA02.FLC和BnaC02.FLC的PAV与油菜的开花时间和生态型分化密切相关。冬油菜品种BnaA10.FLC启动子区都含有MITE插入，85%春油菜品种的BnaA10.FLC第一个外显子中含有LINE插入，81%半冬性油菜品种的BnaA10.FLC启动子区含有hAT插入，表明BnaA10.FLC决定了油菜生态类型，是控制油菜开花的关键基因。春油菜品种的BnaA02.FLC基因区第6个外显子存在hAT插入，而冬/半冬性油菜中BnaA02.FLC没有差异。此外，不同油菜品种中，BnaA02.FLC和BnaC02.FLC还存在拷贝数变异（Copy Number Variation, CNV），有些油菜品种中存在1个BnaA02.FLC+1个BnaC02.FLC基因，有些品种中存在2个BnaA02.FLC+无BnaC02.FLC，或1个BnaA02.FLC+无BnaC02.FLC。BnaA02.FLC的PAV及BnaA02.FLC和BnaC02.FLC拷贝数变异微调各生态类型油菜品种的开花期。