異源多倍化中亞基因組優勢形成機制獲揭示

近日，南京農業大學園藝學院教授陳勁楓團隊在《尖端科學》在線發表研究論文。該研究歷經20多年，圍繞甜瓜屬人工異源四倍體新物種“金瓜”開展了系統深入研究，完成了世界首例人工合成異源多倍體全基因組測序，揭示并初步闡明了在異源多倍化物種形成3個階段中，種間雜交的作用最為顯著，以及亞基因組優勢形成機制等多倍體研究重要科學問題，對于加強植物多倍化研究及作物育種利用具有重要意義。

早在2000年前，陳勁楓將栽培黃瓜與野生酸黃瓜進行種間雜交，通過胚胎拯救和染色體加倍，首創了甜瓜屬人工異源四倍體新物種——“金瓜”，并命名為Cucumis hytivusChen and Kirkbr.，建立了利用種間變異進行黃瓜遺傳改良的途徑，申請獲得了國家發明ZL。在此基礎上，項目組通過進一步將金瓜和栽培黃瓜雜交和多次回交，創制了異源三倍體、單體異附加系和漸滲系等一系列特異染色體工程材料，為黃瓜遺傳育種提供了全新的種質資源。

該研究利用PacBio+BioNano+Hi-C+Illumina多層級的策略完成了首個人工合成多倍體的染色體水平基因組組裝，并對其亞基因組進行了精確區分。在項目組前期解析了酸黃瓜基因組的基礎上，本研究通過比對親本栽培黃瓜和野生酸黃瓜基因組發現，雖然兩個親本的絕大部分基因組均在金瓜基因組中得以保留，來自栽培黃瓜的亞基因組具有明顯的亞基因組優勢現象，表現為丟失的序列更少，同源基因的表達水平更高。

進一步以種間雜種F1、金瓜初世代S0和其他早期世代（S4~S13）開展的比較基因組學分析顯示，異源多倍體化過程中的3個重要階段（種間雜交、基因組加倍和二倍體化）對異源多倍體基因組的作用各不相同，以種間雜交的作用最為顯著。也就是說，多倍體中被廣泛發現的亞基因組優勢現象在種間雜交過程中就已經基本確定了，并在后續的進化過程逐漸累積。而在二倍體化過程中，基因組的變化也主要發生在最初的幾個世代（S0~S3），之后只有少數位點的改變。

該研究對人工合成的多倍體新物種金瓜進行了耐熱性與抗南方根結線蟲鑒定，結果表明，金瓜不僅表現出明顯的雜種優勢（生長力旺盛、營養價值高），同時還具有很強的環境適應性，能夠在炎熱的南京越夏生長，是利用多倍體化開發作物新品種的典型案例。