生菜作为全球广受欢迎的蔬菜，其基因组中蕴藏着丰富的进化秘密和驯化痕迹。

2025年7月24日，淡马锡生命科学实验室，新加坡国立大学理学院生物科学系的曹帅教授团队，在国际顶级期刊《Nature Communications》在线发表了题为“Lactuca super-pangenome provides insights into lettuce genome evolution and domestication”的研究论文。该研究通过构建高质量的Lactuca属超级泛基因组，揭开了生菜基因组进化与驯化的神秘面纱。团队整合了12个染色体级别的基因组，涵盖了代表性的栽培生菜品种、地方品种及野生近缘种，为深入解析生菜的遗传多样性、结构变异及驯化历程提供了前所未有的视角。

1：高质量基因组组装揭示生菜的全球分布与遗传多样性

本研究对10个代表性的生菜材料进行了从头基因组组装，包括5个栽培生菜变种（黄油头、散叶、罗马、拉丁、油用生菜）、1个地方品种以及4个野生近缘种（L.serriola、L.saligna、L.virosa、L.indica）。同时，结合已发表的脆叶和茎用生菜基因组，构建了覆盖12个材料的超级泛基因组。

基因组组装结果显示（表1），栽培生菜及野生祖先种L.serriola的基因组大小约为2.6Gb，而野生近缘种的基因组大小差异显著：L.saligna最小（2.1Gb），L.indica最大（5.5Gb）。本研究组装质量极高，contigN50平均值达到20Mb，其中L.saligna和L.virosa的contigN50分别高达56.7Mb和47.5Mb，显著优于此前的已发表版本。

染色体共线性分析揭示，野生近缘种之间的基因组共线性普遍较低，尤其是在染色体1、3和9上存在明显倒位（图1d）。黄油头生菜与其他栽培变种的共线性较高，但与野生近缘种（特别是L.indica）的共线性较低（图1e），这一结果与已知的进化模式一致，暗示栽培生菜在驯化过程中与野生种之间发生了显著的遗传分化。

表1 生菜基因组组装与注释分析

图1 栽培生菜形态类型及其野生近缘种的高质量基因组组装

2：超级泛基因组解析基因家族动态与驯化选择

基于12个基因组的基因家族分析，本研究共鉴定出37,456个泛基因家族，这些家族可分为核心基因家族（42.0%，存在于所有12个基因组中）、软核心基因家族（12.9%，存在于10-11个材料中）、可变基因家族（43.4%，存在于2-9个材料中）和材料特异性基因家族（3%）（图2c）。

基因家族收缩与扩张分析显示（图2a），除茎用生菜外，Lactuca属的基因家族得失数量相对稳定（约2000个），但基因家族丢失数量显著高于保留数量。与野生祖先种L.serriola相比，栽培生菜中有158个特异性保留的基因家族和491个特异性丢失的基因家族。

GO富集分析揭示了这些驯化相关基因家族的功能（图2d、e）：驯化保留的核心基因富集于DNA复制、生物刺激响应等过程，可能与栽培环境适应相关；而驯化丢失的核心基因则参与蛋白质定位、温度刺激响应等过程，推测与野生环境适应性特征的退化有关。

泛基因组和核心基因组的动态变化（图2b）表明，随着更多基因组的加入，基因家族数量持续快速增长，进一步证明单一参考基因组无法捕捉生菜的全部遗传多样性，凸显了超级泛基因组的重要性。

图2 12份生菜超级泛基因组

3：三倍化事件与二倍体化进程的基因保留特征

Lactuca属经历了一次全基因组三倍化（WGT）事件，随后发生了二倍体化过程。基因保留类型分析显示（图3a、b），在所有Lactuca基因组中，平均34.8%的基因为单拷贝基因，14.8%为WGT基因，50.4%为小规模重复基因（包括串联、邻近和分散重复）。

在核心基因中，WGT基因的比例显著高于总基因中的比例（图3c），提示核心WGT基因在生菜二倍体化过程中可能发挥了关键作用。GO富集分析显示（图3d），这些核心WGT基因参与根部系统发育、RNA生物合成等重要生物学过程。

表达水平分析进一步显示（图3e），核心WGT基因的表达水平显著高于小规模重复基因和单拷贝基因，暗示其功能重要性。此外，WGT基因在基因区域周围的CG甲基化水平较低（图3f），推测低甲基化状态可能有助于WGT基因在二倍体化过程中被保留。

图3 WGT基因的保留特征

4：转座子扩张与DNA甲基化对基因组大小的影响

Lactuca基因组中84.5-89.1%为重复序列，其中长末端重复反转录转座子（LTR）占主导（平均82.6%）（图4a）。基因组大小的变异主要源于转座子的扩张，尤其是L.indica中Copia元件的显著增加，使其基因组达到5.5Gb。

完整LTR分析显示（图4b、c），L.indica的完整LTR比例最高（28.2%），且长度集中在6.3kb左右，短于其他物种。插入时间分析表明（图4d），L.indica中的Copia和Gypsy型LTR插入时间较近，存在多轮Copia扩张，证实了近期转座子活动是其基因组庞大的主要原因。

DNA甲基化分析揭示（图4e、f），L.indica的CHH甲基化水平显著降低，尤其在LTR区域。CMT2基因的系统发育树显示（图4g），Lactuca属存在至少两个CMT2同源基因，且L.indica中CMT2的表达水平显著低于黄油头生菜（图4h）。瞬时过表达实验证实（图4f、g），CMT2A可显著提高L.indica的CHH甲基化水平，尤其是在Copia和Gypsy型LTR中，表明CMT2表达下调可能导致转座子失控扩张，进而使L.indica基因组增大。

图4 转座子扩增对基因组大小的影响

5：转座子驱动的结构变异及其功能影响

以高质量的黄油头生菜基因组为参考，本研究在不同生菜材料中鉴定出大量结构变异（SVs）（图5a）。在栽培变种中，油用和茎用生菜的SV数量较高（分别为123,841和192,230个）；在野生近缘种中，L.saligna的SV数量最多（294,989个）。92.3%的SVs为存在/缺失变异（PAVs），包括插入（42.0%）和缺失（50.3%）。

PAVs的分布显示（图5b、c），它们在全基因组均有分布，尤其在LTR富集的异染色质区域显著集中，且在重复序列的边界处密度较高，暗示转座子活动可能是产生PAVs的重要原因。

功能分析表明（图5d），与PAVs相关的基因表达水平显著低于无PAVs的基因，说明PAVs可能影响基因转录。例如，L.indica中CMT2A基因区域存在多个PAVs（图5e），与其低表达水平一致，进而导致CHH甲基化降低。瞬时过表达CMT2A可恢复L.indica的CHH甲基化水平（图5f、g），验证了PAVs对基因功能的影响。

此外，RLL2A基因的PAV与生菜叶片花青素含量密切相关，该变异仅存在于红叶型的罗马生菜和拉丁生菜，过表达可增加花青素积累，展示了PAVs在表型变异中的重要作用。

图5 转座子驱动的SV

6：驯化相关结构变异与开花时间调控

通过比较栽培生菜与野生祖先L.serriola，研究鉴定出506,004个驯化相关的PAV簇（图6b），其中20.5%为核心PAVs（存在于所有栽培材料中），52.8%为可变PAVs，26.7%为私有PAVs。这表明，不同栽培变种共享一组核心驯化PAVs，为其单一起源假说提供了支持。

PAVs的基因组分布显示（图6a），6.8%位于基因区域（外显子、内含子及上下游），其余位于基因间区。GO富集分析（图6d）发现，与核心驯化PAVs相关的3232个基因富集于春化响应、细胞应激等过程。

其中，开花抑制基因FLC的拷贝数变异尤为引人注目（图6e、f）。栽培叶用生菜含有5-8个FLC拷贝，而野生生菜仅有3个，且栽培生菜中特有的FLC拷贝在野生种中存在插入/缺失。这与栽培生菜开花时间延迟的表型一致，推测FLC拷贝数增加是驯化中为延长收获期而选择的结果。油用生菜虽有5个FLC拷贝但开花早，暗示其存在特异性的开花调控机制。

图6 生菜驯化相关PAV的鉴定

总结

该研究通过整合12个高质量基因组构建了Lactuca属超级泛基因组，系统解析了Lactuca属的基因组多样性、进化历程及驯化机制。从基因组大小变异到转座子活动，从结构变异到基因表达调控，研究揭示了DNA甲基化、三倍化事件、结构变异等在生菜进化与驯化中的关键作用。

这些发现不仅为理解植物基因组进化提供了新见解，更为生菜的功能基因组学研究和分子育种奠定了坚实基础。未来，基于超级泛基因组的遗传资源挖掘将加速优质、抗逆生菜新品种的培育，推动这一全球重要作物的可持续发展。

参考文献：

Cao S, et al. Lactuca super-pangenome provides insights into lettuce genome evolution and domestication. Nat Commun. 2025.