2023年8月30日，中国农业科学院作物科学研究所周美亮课题组联合安诺优达在期刊Molecular Plant（IF=27.5）上在线发表了题为“Comparative and population genomics of buckwheat species reveal key determinants of flavor and fertility”的研究论文，本研究完成了等花柱自交亲和甜荞变种Homo（F. esculentum var. homotropicum (Ohnishi) Chen）的高质量参考基因组组装，采用全基因组重测序、群体基因组学和代谢组学方法，揭示了不同风味相关类黄酮含量和花形态的遗传基础。研究结果提供了荞麦物种进化史的见解，并将通过促进基因组学辅助育种加速重要农艺和营养品质性状的遗传增益。安诺优达为本研究提供了基因组组装、全基因组重测序、RNA-seq的建库测序与分析服务。
01 研究背景
荞麦是一种古老的作物，分布在世界各地。普通荞麦因其优良的营养品质和较高的经济生态价值，在世界范围内日益受到重视。甜荞变种Homo（F. esculentum var. homotropicum (Ohnishi) Chen）是普通荞麦的自花授粉变种，它具有与普通荞麦相似的形态，被认为是普通荞麦基因组研究的理想模型。同时，甜荞作为全球种植面积和消费量高的栽培荞麦，其芦丁、槲皮素等物质含量远低于苦荞，且异型花柱自交不亲和性导致甜荞单产低于苦荞，这背后的遗传机制尚不清晰，限制了甜荞的现代育种进程。
02 研究结果
① 甜荞变种Homo的基因组组装与注释
利用PacBio三代测序、Illumina二代测序和Hi-C技术组装了甜荞变种Homo（F. esculentum var. homotropicum (Ohnishi) Chen）的基因组。基于k-mer分析，估计Homo的基因组大小为1.33 Gb，杂合度低(0.05%)，重复数高(60.32%)。作者注释了38,704个蛋白质编码基因，平均基因长度和编码序列的长度分别为3,232 bp和1,248 bp。此外，作者还鉴定了非编码RNA (ncRNA)，包括121个miRNAs，2,606个tRNAs， 752个rRNAs和63个snRNAs。
② 甜荞和苦荞的差异
荞麦属栽培种有3个，包括粮食作物的甜荞（F. esculentum）和苦荞（F. tataricum）以及药饲两用的金荞（F. cymosum）。作者对普通荞麦Homo（甜荞）和苦荞的基因组进行比对，发现包括FhFARs在内的多个基因家族的扩增是甜荞比苦荞分布更广泛的重要原因，而类黄酮代谢相关基因（如UGTs、FLSs、RDEs等）的拷贝数变异造成了甜荞和苦荞在芦丁等黄酮物质含量上的差异。
③ 甜荞与苦荞类黄酮的差异
黄酮类化合物尤其是芦丁含量的不同是造成甜荞Homo和苦荞苦味差异的主要原因。为了量化两个栽培物种之间的代谢差异，我们对Homo种子（HS）和苦荞种子（TS）进行了代谢组学分析。共鉴定了1,048种注释代谢物，其中503种代谢物在HS和TS中丰度显著不同。根据KEGG分析，这些差异代谢物主要富集在黄酮类化合物、黄酮和黄烷醇生物合成和ABC转运蛋白。在差异丰度的黄酮类化合物中，58种黄酮类化合物在TS中的丰度明显更高，56种黄酮类化合物在HS中显著增加，表明这些化合物有助于苦荞的苦味。
④ 普通荞麦的种群结构表现出对环境的适应性
我们对572份普通荞麦材料进行了平均深度为10倍的重测序，通过与Homo参考基因组比对，鉴定出24,847,225个单核苷酸多态性（snp）。采用系统发育分析、主成分分析（PCA）和基于模型的聚类分析对普通荞麦的种群结构进行了研究。结果发现，主要将种群划分为国内（group I）和国外（group II）2个类群，且这2个群体之间在环境适应性和花发育方面发生了显著的遗传分化。
⑤ 普通荞麦的环境适应与类黄酮代谢相关基因的鉴定
通过对多年多点农艺性状和芦丁含量的全基因组关联分析，发现了多个调控荞麦花期、生育期和芦丁合成的候选基因在国内和国外类群的分化区间内，如Fh02G045060、Fh07G007150、Fh02G005940、Fh06G031660和Fh06G015130等。其中，Fh06G015130基因编码一个AT-hook转录因子，可通过直接调控芦丁合成通路中关键酶基因的表达来抑制芦丁的合成，该基因外显子上的1个SNP可将甜荞种质资源分为3种基因型，基因型G的芦丁含量显著高于基因型C和G/C。
⑥ 普通荞麦的育性决定因素
为了确定导致甜荞异型花柱自交不亲和性的基因组区域，通过对花柱型态的关联分析，在Homo的2号染色体上发现了控制等花柱的关键位点Sh，而前期研究发现的控制短花柱的关键基因FeS-ELF3并没有出现在Sh位点中。令人意外的是，在4号染色体上定位了到Homo的FhS-ELF3基因，且该基因编码的蛋白序列发生了大片段缺失，因此，FhS-ELF3基因的易位和序列变异对甜荞花柱形态至关重要，可应用于荞麦花形态鉴定的分子标记开发。
03 研究总结
本研究构建了普通荞麦纯合子自花授粉变种F. esculentum var. homotropicum的染色体尺度高质量参考基因组。比较基因组和代谢组研究表明，包括FhFARs在内的多个基因家族的扩增是甜荞比苦荞分布更广泛的重要原因，而类黄酮代谢相关基因（如UGTs、FLSs、RDEs等）的拷贝数变异造成了甜荞和苦荞在芦丁等黄酮物质含量上的差异。基于572份甜荞种质的基因组变异图谱，种群和进化基因组学揭示了国内和国外栽培群体之间与环境适应性和花发育有关的遗传变异。多年生农艺性状与黄酮类化合物含量的全基因组关联分析表明，Fh05G014970是控制异交作物产量的关键农艺性状，是潜在的花期主要调节因子，Fh06G015130是风味相关黄酮类化合物的关键基因。此外，FhS-ELF3的基因易位和序列变异也有助于荞麦的同态自交亲和性。本研究结果阐明了荞麦的物种形成、生态适应、肥力和独特风味的遗传基础，为今后荞麦的基因组辅助育种提供了新的资源。
参考文献：
Zhang K, He Y, Lu X, et al. Comparative and population genomics of buckwheat species reveal key determinants of flavor and fertilit. Mol Plant. 2023, S1674-2052(23):00248-4.