【項(xiàng)目文章】Nature Genetics | 國(guó)內(nèi)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在葡萄屬超級(jí)泛基因組研究中獲得重大突破

2025年02月26日，濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院葉文秀研究員和郭立研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《自然-遺傳學(xué)（Nature Genetics）》上在線發(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(jí)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(shù)據(jù)，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(zhǔn)分子育種，開啟葡萄種質(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(zhuǎn)錄組等測(cè)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(jì)價(jià)值，是農(nóng)民致富、鄉(xiāng)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(jì)70余個(gè)種；根據(jù)地理分布可將其分為三大類群，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(zhǎng)的持續(xù)馴化和多年的育種改良導(dǎo)致現(xiàn)代葡萄品種的遺傳多樣性縮小和抗性丟失，使其易受病蟲、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(bào)道，野生葡萄以其豐富的遺傳多樣性和超強(qiáng)的抗性基因再次受到關(guān)注，但以大群體染色體級(jí)基因組組裝為基礎(chǔ)，涵蓋主要品種，特別是包含東亞野生種葡萄的屬級(jí)泛基因組一直未見報(bào)道。因此構(gòu)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、開展功能基因組學(xué)研究、識(shí)別隱性遺傳特性以及葡萄精準(zhǔn)改良的關(guān)鍵資源。

材料方法及研究結(jié)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(shù)據(jù)鑒定了葡萄著絲粒序列，解析著絲粒的衛(wèi)星重復(fù)序列結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)單倍型著絲粒之間的顯著差異，表明其快速進(jìn)化。其次，該研究通過對(duì)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(yàn)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(qū)域序列，而且對(duì)分析葡萄的育種歷史也至關(guān)重要。該研究構(gòu)建了單倍型系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹，揭示了葡萄屬植物復(fù)雜的育種歷史和豐富的遺傳多樣性。結(jié)果顯示，北美和歐洲品種存在較多內(nèi)部雜交，而東亞品種的內(nèi)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(qiáng)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(xiàn)了超過6.4萬(wàn)個(gè)基因家族，包括不同數(shù)量的核心、可變和私有的基因家族。擬合曲線表明，該研究的泛基因家族數(shù)量趨向飽和，表明葡萄泛基因組接近閉合。研究還系統(tǒng)分析了葡萄屬免疫受體蛋白基因家族NLR，結(jié)合三大種群的葡萄和圓葉葡萄抗霜霉病數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，TIR-NBARC-LRR家族的NLR基因在抗病（野生葡萄）和感病葡萄（栽培葡萄）中存在顯著數(shù)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(jí)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(chǔ)（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(jié)構(gòu)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）。該研究通過全基因組序列比對(duì)和變異檢測(cè)，在67個(gè)Euvitis葡萄樣本中鑒定出132,518個(gè)非冗余結(jié)構(gòu)變異。功能富集分析表明，這些SV與葡萄葉片形態(tài)、病原識(shí)別及生物刺激感知相關(guān)。通過與已知分子標(biāo)記的比較，該研究鑒定到霜霉病抗性分子標(biāo)記Rpv3相關(guān)SV事件，并發(fā)現(xiàn)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關(guān)聯(lián)性，證明該SV是一個(gè)關(guān)鍵抗病分子標(biāo)記，突出了超級(jí)泛基因組圖譜的價(jià)值。

最后，該研究使用葡萄結(jié)構(gòu)變異圖譜和基于霞多麗完整基因組序列，構(gòu)建了涵蓋歐、亞、美三大種群的圖形泛基因組。基于該圖形泛基因組，該研究對(duì)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(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因VvLHT8。進(jìn)一步的分子功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)VvLHT8可能通過負(fù)調(diào)控葡萄水楊酸合成和氣孔免疫反應(yīng)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(nóng)藝性狀分子標(biāo)記開發(fā)及功能基因挖掘中的高效性。該研究構(gòu)建的葡萄屬超級(jí)泛基因組不僅加深了對(duì)葡萄生物進(jìn)化和育種改良的理解，也為精準(zhǔn)改良葡萄抗病性和多樣性提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

研究總結(jié)

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(fù)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(jié)合葡萄屬超級(jí)泛基因組、群體轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表型組學(xué)，對(duì)葡萄屬遺傳多樣性和重要農(nóng)藝性狀形成機(jī)制的深入探索，為未來培育超級(jí)葡萄提供了理論基礎(chǔ)和新的思路（圖6），標(biāo)志著葡萄基因組研究邁進(jìn)新的階段，也必將加速推動(dòng)我國(guó)葡萄種質(zhì)創(chuàng)新和葡萄產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。