Nature Comm | 上海师范大学王全华团队发布新一代菠菜基因组精细图谱，揭示栽培菠菜重要农艺性状的遗传基础和驯化历史

责编 | 王一

近日，上海师范大学王全华团队联合康奈尔大学Boyce Thompson研究所（BTI）费章君教授团队等多家科研机构在Nature Communications在线发表了Genomic analyses provide insights into spinach domestication and the genetic basis of agronomic traits的研究论文，揭示了栽培菠菜的演化及驯化历史，获得了与重要农艺性状相关联的遗传位点及候选基因。该研究是继2017年王全华团队和费章君教授团队联合在Nature Communications发表菠菜基因组草图和120份菠菜材料的转录组图谱后，在菠菜基因组研究领域取得的又一项重大标志性研究成果，对菠菜的生物学研究和分子标记辅助育种具有重要价值。

菠菜（Spinacia oleracea L.）属石竹目苋科藜亚科，是重要的叶用蔬菜，富含维生素和矿物质元素等营养物质。我国是世界上最大的菠菜生产和消费国，并且栽培面积逐年增加。王全华研究团队自2013年组建以来，一直致力于菠菜种质资源的收集、评价与创新利用和重要性状关键基因的挖掘与基因组学研究。该团队主要聚焦菠菜核心种质资源体系、菠菜抗逆及优良品质的分子机制和雌性系育种技术的研究。先后引进菠菜种质资源材料共665份，筛选了具有代表性的核心种质材料222份，建立了菠菜核心种质资源库（图1）；创制了多性状聚合的新种质 50 余份，其中包括耐热、耐抽薹、抗霜霉病、低草酸等种质材料；利用创制的新种质，选育出耐热、抗病、优质的‘沪菠’系列菠菜新品种8个，累计推广面积10000亩以上。

图1 菠菜种质资源遗传变异丰富

王全华团队充分发挥菠菜种质资源评价、抗逆及品质分子育种研究优势，采用PacBio与Hi-C技术联合分析，对菠菜高世代自交系“Monoe-Viroflay”进行了de novo测序、组装和注释，获得了染色体级别的高质量菠菜参考基因组。新一代菠菜高质量参考基因组的组装高度准确、完整和连续，基因组组装大小894.3 Mb，contig N50提高到23.8 Mb，约98.3%的基因组序列被锚定和排序在6条菠菜染色体上，是迄今为止最高质量的菠菜基因组序列图谱（图2）。

图2 菠菜基因组特征与藜科祖先核型的重建与进化分析

在此基础上，对305个栽培和野生菠菜种质资源开展了基因组变异分析，利用全基因组关联分析（GWAS）剖析了20个菠菜重要农艺性状的遗传变异结构，挖掘出菠菜控制霜霉病抗性（图3）、草酸含量、耐抽薹和株型等性状的关键候选基因位点（图4），揭示了栽培菠菜遗传多样性形成的分子机制。通过进化和驯化分析，系统解析了菠菜染色体的形成与演化历史，揭示了人工选择在菠菜重要农艺性状形成进化中的重要作用。这项研究不仅加深了人们对栽培菠菜驯化的认识，更为菠菜功能基因组深入研究、优异基因资源的利用等菠菜遗传育种提供了宝贵的资源。

图3 菠菜霜霉病抗性的全基因组关联分析

图4 受驯化位点的全基因组筛选与注释

上海师范大学王全华研究员、王全喜教授、浙江大学焦晨研究员、康奈尔大学费章君教授为该论文的共同通讯作者，上海师范大学蔡晓锋副教授，上海师范大学徐晨曦副教授，浙江大学焦晨研究员，浙江农林大学孙学鹏教授为该论文的共同第一作者。该研究受到上海市部分地方院校能力建设专项、上海市农业领域创新项目，上海市科技兴农项目，上海市植物种质资源开发中心，上海市植物种质资源工程技术研究中心，青海省蔬菜遗传与生理重点实验室开放课题和美国自然科学基金的共同资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27432-z