2023年8月17日，中国农业科学院作物科学研究所周美亮课题组、四川农业大学张新全课题组联合BOB半岛·综合体育在期刊BMC Biology（IF=5.4）上在线发表了题为“Resequencing of global Lotus corniculatus accessions reveals population distribution and genetic loci, associated with cyanogenic glycosides accumulation and growth traits”的研究论文，本研究对全球收集的272份百脉根材料进行重测序，得到467,831个SNP位点。利用这些SNP位点分析了百脉根材料的群体结构、遗传多样性、选择性清除和遗传关系。GWAS鉴定了与氰甙合成及其他生长性状相关的基因，并对候选基因进一步功能验证，为今后的育种提供了理论依据。BOB半岛·综合体育为本研究提供了二代全基因组重测序的建库测序与分析服务。
01 研究背景
百脉根是一种多年生豆科植物，广泛分布于世界各地，对不同环境的适应能力强，对贫瘠的抵抗力强，是优良的饲料和生态恢复植物。然而，其种群间的分子遗传学和基因组关系尚未被发现。
02 研究结果
结果一：百脉根基因组变异和种群结构
本研究对来自30个不同国家的227个百脉根种质资源进行了重测序，总共产生了1.69 Tb的原始数据，包括115.7亿个reads，平均测序深度为13.08 ×。经过数据过滤，确定了467,831个SNP和75,962个InDel。系统发育分析、主成分分析（PCA）和ADMIXTURE群体结构分析结果表明，百脉根种质资源可以分为三个不同的进化枝，进一步划分为四个遗传亚群，对应不同亚种或生态型。
结果二：百脉亚群的遗传多样性与分化
PI分析揭示了百脉根不同亚群的遗传多样性，Group Mix多样性最高，其次是GroupⅡ、Ⅲ、Ⅰ。Treemix基因流分析发现Group Mix有Group Ⅱ和Group Ⅲ的基因渗入。依据亚群的地理分布发现外高加索地区是百脉物种形成和遗传多样性高度活跃的中心。选择消除分析发现，Group Ⅰ与Group Ⅱ、Group Ⅰ与Group Ⅲ、Group Ⅱ与Group Ⅲ之间的选择性扫描区分别有1,733、2,185、2,338个基因，对这些基因进行注释，发现这些选择性扫描区域主要涉及生物过程如代谢和细胞过程，分子功能如结合和催化活性，表明这些选择性扫描区域可能是造成这些亚群中氰甙含量差异的原因之一。
结果三：与氰甙含量的全基因组关联
我们对GroupⅡ和Group Ⅲ中总氰甙含量进行了GWAS分析。鉴定到6号染色体上的Chr6_22318549位点与总氰甙含量是显著相关的，从22.28 Mb到22.34 Mb（60 kb）的候选区域包含17个候选基因。SNP峰 （Chr6_22318549, T/C）位于LjMTR 基因的内含子上，同时对LjMTR基因上的所有SNP进行分析，发现LjMTR外显子的非同义突变位点Chr6_22319927（G/C）导致氨基酸从Ala变为Gly。通过单倍型和表达分析，表明LjMTR 基因可能参与了氰甙合成的调控。同时还发现另一个候选基因LjZCD可能通过上调氰甙合成基因CYP79D3来参与调控氰甙含量。
结果四：与茎长的全基因组关联
通过来自两个种植区域的241份百脉根种质材料进行GWAS分析，鉴定与茎长显著相关的变异位点或基因，在5号染色体上发现了多个显著SNP。Chr5_19895618位点上下游30 kb区域 （Chr5: 19.86-19.92 Mb）包含7个候选基因。我们分析了该区域的SNP位点，在Lj5g3v1222610（LjZCB）的外显子上发现了一个引起同义突变的SNP位点Chr5_19909005（G/T）。根据这个位点，我们可以将材料分为两个单倍型Hap.G（GG）和Hap.K（GT），Hap.G的茎长明显高于Hap.K，表明该基因参与茎长的调控。通过表型鉴定，发现LjZCB过表达转基因株系在苗期茎比野生种长，表明LjZCB可能促进茎长。
结果五：与株高的全基因组关联
通过来自两个种植区域的241份百脉根种质材料进行GWAS分析，鉴定与株高显著相关的基因位点。Chr3_706642位点上下游区间（Chr3: 0.67-0.73 Mb）包含7个候选基因。位于Lj3g3v0075610（LjZCA）上游87 bp的SNP突变位点Chr3_ 691967（C/T）使CAAT盒失效。我们进一步对LjZCA在两种单倍型Hap. C（CC）和Hap. Y（CT）中的表达和转录激活实验，表明该LjZCA基因上的SNP突变位点可能通过影响下游基因表达来调节株高。
03 研究总结
本研究报告了一个来自30个不同国家的272个百脉根材料基因组重测序的基因组变异图谱。结果表明，百脉根材料具有较高的遗传多样性，可进一步划分为3个亚群，遗传多样性中心均位于外高加索地区。通过全基因组关联分析，作者发现了一个减少氰甙合成的基因LjMTR和一个促进氰甙合成的基因LjZCD。此外，作者还发现了生长相关基因LjZCA和LjZCB。这些结果为今后的育种提供了理论依据。
参考文献
Chen, C., Zhang, K., Liu, F. et al. Resequencing of global Lotus corniculatus accessions reveals population distribution and genetic loci, associated with cyanogenic glycosides accumulation and growth traits. BMC Biology. 2023, 21: 176 . https://doi.org/10.1186/s12915-023-01670-7