异源多倍化中亚基因组优势形成机制获揭示

近日，南京农业大学园艺学院教授陈劲枫团队在《尖端科学》在线发表研究论文。该研究历经20多年，围绕甜瓜属人工异源四倍体新物种“金瓜”开展了系统深入研究，完成了世界首例人工合成异源多倍体全基因组测序，揭示并初步阐明了在异源多倍化物种形成3个阶段中，种间杂交的作用最为显著，以及亚基因组优势形成机制等多倍体研究重要科学问题，对于加强植物多倍化研究及作物育种利用具有重要意义。

早在2000年前，陈劲枫将栽培黄瓜与野生酸黄瓜进行种间杂交，通过胚胎拯救和染色体加倍，首创了甜瓜属人工异源四倍体新物种——“金瓜”，并命名为Cucumis hytivusChen and Kirkbr.，建立了利用种间变异进行黄瓜遗传改良的途径，申请获得了国家发明ZL。在此基础上，项目组通过进一步将金瓜和栽培黄瓜杂交和多次回交，创制了异源三倍体、单体异附加系和渐渗系等一系列特异染色体工程材料，为黄瓜遗传育种提供了全新的种质资源。

该研究利用PacBio+BioNano+Hi-C+Illumina多层级的策略完成了首个人工合成多倍体的染色体水平基因组组装，并对其亚基因组进行了精确区分。在项目组前期解析了酸黄瓜基因组的基础上，本研究通过比对亲本栽培黄瓜和野生酸黄瓜基因组发现，虽然两个亲本的绝大部分基因组均在金瓜基因组中得以保留，来自栽培黄瓜的亚基因组具有明显的亚基因组优势现象，表现为丢失的序列更少，同源基因的表达水平更高。

进一步以种间杂种F1、金瓜初世代S0和其他早期世代（S4~S13）开展的比较基因组学分析显示，异源多倍体化过程中的3个重要阶段（种间杂交、基因组加倍和二倍体化）对异源多倍体基因组的作用各不相同，以种间杂交的作用最为显著。也就是说，多倍体中被广泛发现的亚基因组优势现象在种间杂交过程中就已经基本确定了，并在后续的进化过程逐渐累积。而在二倍体化过程中，基因组的变化也主要发生在最初的几个世代（S0~S3），之后只有少数位点的改变。

该研究对人工合成的多倍体新物种金瓜进行了耐热性与抗南方根结线虫鉴定，结果表明，金瓜不仅表现出明显的杂种优势（生长力旺盛、营养价值高），同时还具有很强的环境适应性，能够在炎热的南京越夏生长，是利用多倍体化开发作物新品种的典型案例。