【項目文章】Nature Genetics | 國內科學(xué)家團隊在葡萄屬超級泛基因組研究中獲得重大突破

2025年02月26日，濰坊現代農業(yè)山東省實(shí)驗室、北京大學(xué)現代農業(yè)研究院葉文秀研究員和郭立研究員團隊在國際期刊《自然-遺傳學(xué)（Nature Genetics）》上在線(xiàn)發(fā)表了題為Super pangenome of Vitis?empowers identification of downy mildew resistance genes for grapevine improvement的研究成果。作為葡萄科研領(lǐng)域里程碑式的重大突破，繪制了涵蓋葡萄屬的歐亞、北美和東亞世界三大種群的72個(gè)葡萄種質(zhì)材料的單倍型超級泛基因組圖譜，揭示葡萄屬豐富遺傳多樣性和雜交歷史，基于葡萄多組學(xué)數據，挖掘到葡萄霜霉病抗性相關(guān)遺傳變異和抗病基因，加速葡萄精準分子育種，開(kāi)啟葡萄種質(zhì)創(chuàng )新和利用新時(shí)代。百邁客生物為該研究提供了基因組、hic、轉錄組等測序服務(wù)。

研究背景

葡萄（Vitis）在全球范圍種植廣泛，即可鮮食又可加工成葡萄酒等，具有很高的經(jīng)濟價(jià)值，是農民致富、鄉村振興、人民美好生活中不可或缺的重要園藝作物。葡萄屬于葡萄科葡萄屬植物，該屬包括兩個(gè)亞屬，麝香葡萄亞屬(Muscadinia Planch)和真葡萄亞屬(Euvitis Planch），共計70余個(gè)種；根據地理分布可將其分為三大類(lèi)群，歐亞種群、北美種群和東亞種群。

葡萄作為最古老的馴化作物之一（約公元前11,000年），漫長(cháng)的持續馴化和多年的育種改良導致現代葡萄品種的遺傳多樣性縮小和抗性丟失，使其易受病蟲(chóng)、逆境等各種不利條件的影響。近年北美葡萄泛基因組（Genome biology, 2023），歐洲葡萄泛基因組（Nature Genetics, 2024）的相繼報道，野生葡萄以其豐富的遺傳多樣性和超強的抗性基因再次受到關(guān)注，但以大群體染色體級基因組組裝為基礎，涵蓋主要品種，特別是包含東亞野生種葡萄的屬級泛基因組一直未見(jiàn)報道。因此構建涵蓋整個(gè)葡萄屬的泛基因組將成為了解葡萄遺傳多樣性、開(kāi)展功能基因組學(xué)研究、識別隱性遺傳特性以及葡萄精準改良的關(guān)鍵資源。

材料方法及研究結果

該研究首先組裝了釀酒葡萄（Vitis vinifera）霞多麗的完整單倍型基因組，并首次基于ChIP-seq數據鑒定了葡萄著(zhù)絲粒序列，解析著(zhù)絲粒的衛星重復序列結構特征，發(fā)現單倍型著(zhù)絲粒之間的顯著(zhù)差異，表明其快速進(jìn)化。其次，該研究通過(guò)對591個(gè)葡萄材料的群體基因組分析，選取了72個(gè)代表性葡萄材料（包括25個(gè)野生種和47個(gè)栽培種）進(jìn)行染色體水平的單倍型基因組組裝（圖1），基因組驗證表明這些單倍體基因組序列具有較高的質(zhì)量和完成度。

鑒于葡萄基因組因頻繁雜交而具有的高度雜合性，單倍型基因組不僅能精確解析雜合區域序列，而且對分析葡萄的育種歷史也至關(guān)重要。該研究構建了單倍型系統發(fā)育進(jìn)化樹(shù)，揭示了葡萄屬植物復雜的育種歷史和豐富的遺傳多樣性。結果顯示，北美和歐洲品種存在較多內部雜交，而東亞品種的內部雜交較少，跨大洲雜交事件有限（圖2）。特別是東亞葡萄極少被開(kāi)發(fā)的遺傳多樣性，表明了其潛在的巨大育種價(jià)值。此次發(fā)布的東亞野生葡萄基因組為葡萄遺傳育種研究提供了強有力的資源支持。

該研究還分析了72份葡萄材料的泛基因組家族，發(fā)現了超過(guò)6.4萬(wàn)個(gè)基因家族，包括不同數量的核心、可變和私有的基因家族。擬合曲線(xiàn)表明，該研究的泛基因家族數量趨向飽和，表明葡萄泛基因組接近閉合。研究還系統分析了葡萄屬免疫受體蛋白基因家族NLR，結合三大種群的葡萄和圓葉葡萄抗霜霉病數據發(fā)現，TIR-NBARC-LRR家族的NLR基因在抗?。ㄒ吧咸眩┖透胁∑咸眩ㄔ耘嗥咸眩┲写嬖陲@著(zhù)數量差異，因此有可能是葡萄抗霜霉病表型差異的重要因素之一。該超級泛基因組分析為研究葡萄屬的遺傳多樣性、進(jìn)化歷史及功能基因挖掘提供了全面的基因組基礎（圖3）。

其次，該研究進(jìn)一步繪制了目前比較完整的葡萄基因組遺傳結構變異（SV) 圖譜，助力挖掘與抗性及資源利用效率等重要性狀相關(guān)的功能基因（圖4）。該研究通過(guò)全基因組序列比對和變異檢測，在67個(gè)Euvitis葡萄樣本中鑒定出132,518個(gè)非冗余結構變異。功能富集分析表明，這些SV與葡萄葉片形態(tài)、病原識別及生物刺激感知相關(guān)。通過(guò)與已知分子標記的比較，該研究鑒定到霜霉病抗性分子標記Rpv3相關(guān)SV事件，并發(fā)現三大種群中該SV位點(diǎn)的不同單倍型與葡萄霜霉病抗性有顯著(zhù)關(guān)聯(lián)性，證明該SV是一個(gè)關(guān)鍵抗病分子標記，突出了超級泛基因組圖譜的價(jià)值。

最后，該研究使用葡萄結構變異圖譜和基于霞多麗完整基因組序列，構建了涵蓋歐、亞、美三大種群的圖形泛基因組?；谠搱D形泛基因組，該研究對113個(gè)葡萄樣本的霜霉病抗性表型、氣孔表型以及霜霉病侵染轉錄組數據進(jìn)行了基因組變異的eQTL分析（圖5），鑒定出63個(gè)SV-eQTL和1,808個(gè)SNP-eQTL與葡萄抗霜霉病顯著(zhù)相關(guān)。在63個(gè)與霜霉病抗性密切相關(guān)的SV的輔助下，該研究定位到一個(gè)氨基酸轉運蛋白基因VvLHT8。進(jìn)一步的分子功能實(shí)驗發(fā)現VvLHT8可能通過(guò)負調控葡萄水楊酸合成和氣孔免疫反應進(jìn)而抑制葡萄抗病性，證實(shí)了高質(zhì)量泛基因組輔助的多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析在作物重要農藝性狀分子標記開(kāi)發(fā)及功能基因挖掘中的高效性。該研究構建的葡萄屬超級泛基因組不僅加深了對葡萄生物進(jìn)化和育種改良的理解，也為精準改良葡萄抗病性和多樣性提供了重要的科學(xué)基礎。

研究總結

該研究提供了比較全面的葡萄屬基因組資源，有助于全面解析葡萄基因組的復雜性和多樣性，從而高效發(fā)掘并利用葡萄特別是野生葡萄種中的優(yōu)異基因。該研究結合葡萄屬超級泛基因組、群體轉錄組學(xué)和表型組學(xué)，對葡萄屬遺傳多樣性和重要農藝性狀形成機制的深入探索，為未來(lái)培育超級葡萄提供了理論基礎和新的思路（圖6），標志著(zhù)葡萄基因組研究邁進(jìn)新的階段，也必將加速推動(dòng)我國葡萄種質(zhì)創(chuàng )新和葡萄產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。