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NG详解｜花生泛基因组解析种子大小和重量性状相关的结构变异
花生是全球重要的油料和经济作物，其种子大小和重量是决定产量的关键农艺性状。然而，由于栽培花生为异源四倍体，基因组结构复杂，且种质间存在丰富的遗传多样性，相关性状的分子调控机制尚未完全阐明。
2025年4月28日，河南农业大学殷冬梅教授团队联合多家单位在国际著名期刊《Nature Genetics》上发表了题为“Pangenome analysis reveals structural variation associated with seed size and weight traits in peanut”的研究论文。该研究通过对不同籽粒大小的8个代表性花生品种进行高质量泛基因组图谱构建，结合269份种质的重测序数据，系统解析了结构变异（SVs）对种子大小和重量的调控机制，为花生分子育种提供了重要理论依据。
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269个不同种子大小花生种质的遗传多样性
本研究收集了269个代表性花生种质（包括野生二倍体、野生四倍体、栽培四倍体及改良种质），通过重测序鉴定出59万多个单核苷酸变异（SNPs）。系统发育分析表明，野生和栽培花生已出现分化，PCA分析也同样显示，野生种和栽培种的A、B亚基因组均明显分离，且栽培种的B亚基因组呈现高度的遗传多样性。种群遗传分化指数（Fst）分析显示，A亚基因组在驯化过程中承受更强的选择压力。这些结果共同说明，A、B亚基因组经历了不同的驯化过程。此外，ADMIXTURE群体结构分析显示，栽培花生可能直接起源于野生异源四倍体祖先，部分地方品种与野生种之间存在一定程度的遗传渗入。
图1 269份花生种质的遗传多样性
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花生高质量泛基因组的构建
研究选取了8个荚果大小不同的代表性花生种质（2个已知基因组，6个新测序）构建泛基因组。采用ONT超长测序，PacBio HiFi测序和Hi-C测序技术进行基因组测序和组装，scaffold N50为134-148Mb，contig N50为25-79Mb，BUSCO完整度为98.6%到99.4%。构建的花生泛基因组共包含50097个基因家族，核心家族占34.2%，私有家族占11.3%，泛基因组已趋于饱和。不同类型的基因在染色体上的分布、基因长度、选择压力、表达水平等方面存在差异。核心基因主要富集于糖鞘脂生物合成和干细胞调控的信号通路，而私有基因则富集于甘露糖型O-聚糖生物合成通路。其中，荚果最大的种质ZP06可变和私有基因主要富集于NB-ARC结构域（与抗病相关）通路。
图2 基因水平的花生泛基因组
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结构变异（SVs）可能影响基因表达
在本研究中，基于高质量组装和重测序数据，研究团队对花生泛基因组的SVs进行了系统分析，共鉴定出86308个SVs，插入和缺失是主要类型。A亚基因组中SVs的数量多于B亚基因组，且不同SVs的大小在两个亚基因组之间存在差异。其中，10-16%的SVs与基因区域重叠，15-30%与基因上下游区域（包含启动子）重叠，在启动子和外显子区域，约40%的插入缺失变异都是LTR和DNA转座子介导的。这些位于基因启动子和外显子区域的SVs会影响基因的表达，可能对花生的关键农艺性状产生重要影响。
图3 泛基因组的SVs表征
该研究重点分析了特殊种质ZP06的SVs，证实了SVs可能通过影响基因的结构或者表达从而影响花生的产量和抗病等农艺性状。
图4 结构变异和基因表达的关系
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驯化过程中性状相关基因的选择清除
研究进一步对野生种和栽培种SVs的选择模式进行了分析，结果显示花生染色体在驯化的过程中经历了不平衡的选择。在改良种选育过程中，B亚基因组的受选择区域是A亚基因组的2倍。文章共鉴定出1335个与驯化相关的SVs，涉及329个基因，且A、B亚基因组中与驯化相关的SVs基因功能存在差异。这些驯化相关的SVs大部分与重复序列重叠，提示了重复序列在花生驯化过程中的重要作用。
图5 驯化过程中的全基因组选择清除分析
在含有驯化相关SVs的基因中，有19个与果实大小、抗病性等性状相关。例如，CRK26基因在野生花生中更容易发生629bp的缺失，荚果大小相关基因NTF6和抗病基因FBRL2在不同花生种质中拷贝数不同。说明，泛基因组分析为解析花生驯化过程中果实大小和抗病性相关的关键基因提供了宝贵的资源。
图6 花生农艺性状相关的含有驯化相关SVs的基因举例
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CKX6基因的SVs降低其表达并促进种子扩增
本研究针对花生种子的重量性状进行全基因组关联分析（GWAS），共鉴定出117个相关的SVs和Indels。值得注意的是，3号染色体上一个显著关联的SV位于NDH03G08990（AhCKX6）基因所在的连锁不平衡（LD）区块内。AhCKX6基因编码细胞分裂素脱氢酶（CKX），可能通过调控细胞分裂进而影响花生产量。
研究发现，在较大种子的花生种质中，AhCKX6基因在3‘-UTR存在插入变异，进一步验证发现，野生花生通常不携带该插入变异，而大部分栽培花生种质中则普遍存在，实验结果也显示这些插入变异和种子长度和重量显著相关。系统发育分析显示，花生的AhCKX6基因和大豆的CKX基因高度相似。3‘-UTR的插入变异导致AhCKX6的表达水平降低，从而使细胞分裂素的含量升高，促进了细胞分裂，最终导致花生种子增大。
图7 SV-GWAS分析以及SV对AhCKX6基因的影响
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AhARF2-2基因负向调节种子大小
种子大小是和产量密切相关的重要农艺性状，本研究鉴定了73个和种子大小相关的SVs。其中， NDH08G29450（ARF2）基因在外显子区域的SV和种子长度最显著关联。在ZP06种质中，AhARF2-2基因12号外显子存在一个275bp的缺失和7bp的插入，同时13号外显子发生无义突变，导致保守的AUX/IAA结构域丧失，进而引起种子长度和重量的变化。正常情况下AhARF2-2基因末端的AUX/IAA结构域可与AhIAA13基因及TPL蛋白结合形成复合物，抑制下游AhGRF5基因的表达。SV变异破坏了这种结合，解除了对AhGRF5基因的抑制作用，促进种子增大。
图8 AhARF2-2基因对种子大小的负向调控作用
小 结
本研究利用群体重测序全面解析了花生的遗传多样性，并通过构建高质量泛基因组，系统分析了结构变异对花生驯化和农艺性状的影响。研究不仅提供了较为完整的花生基因组的信息和丰富的遗传资源，还明确了与产量等关键性状相关的候选基因，为花生及其他多倍体作物的功能基因挖掘、分子育种及作物遗传改良提供了有力工具和理论支持。
参考文献：
Zhao K, et al. Pangenome analysis reveals structural variation associated with seed size and weight traits in peanut. Nat Genet. 2025.
