2021年4月20日，中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员和西南林业大学刘爱忠研究员与上海欧易生物医学科技有限公司合作在Genome Biology（IF=10.806）上在线发表蓖麻基因组与群体研究最新科研成果。文章题目为 “Genomic insights into the origin, domestication and the genetic basis of agronomic traits of castor bean”。李德铢研究员和刘爱忠研究员为共同通讯作者，中国科学院昆明植物研究所徐伟副研究员为第一作者，上海欧易生物医学科技有限公司鲍志贵参与此项研究。欧易生物提供该项目的279份样本基因组重测序服务，基因组的组装、注释和比较基因组分析以及群体分析服务（包括群体进化、GWAS、 QTL定位等）。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s13059-021-02333-y

文章摘要

蓖麻是一种适应性强、生长快并且日益重要的油料作物。蓖麻油酸是约2000种工业产品的重要原料，目前其商业来源的唯一途径是蓖麻籽油。然而，蓖麻的起源、驯化和关键性状的遗传基础尚不清楚。本研究组装了一个染色体水平的大戟科植物的野生祖先的基因组，为理解大戟科植物的基因组进化提供了新的见解。通过对全球505份蓖麻品种的重测序，揭示了大约3200年前蓖麻驯化的东非起源。肯尼亚和埃塞俄比亚(约7000年前)野生种群之间的显著遗传分化与图尔卡纳洼地过去的气候波动有关。选择性清除揭示了从野生树木祖先衍生的一年生品种。GWAS和QTL分析确定了与营养结构和种子性状相关的关键候选基因。该研究描述了蓖麻驯化和基因组进化的概貌，极大地助力于未来对这种有希望减缓气候变化的作物的改良和利用。

前言

蓖麻（Ricinus communis,  L，2n = 20）属于大戟科蓖麻属植物，是世界上重要的油料作物之一。蓖麻种子中富含大量蓖麻油酸（顺式-12-羟基十八碳-9-烯酸），是目前商用蓖麻油酸的唯一来源植物。另外，蓖麻具有强的耐干旱、耐高温和耐盐碱等特性，在热带和亚洲热带地区广泛种植。

蓖麻作为一种古老的非食用栽培作物，其利用历史可追溯到史前时代，蓖麻传入中国大概发生在1400年前。基于形态学观察，人们认为蓖麻可能存在四个多样性中心，包括东非（埃塞俄比亚和肯尼亚），西亚，印度和中国。其中，东非是蓖麻最有可能的起源地，但目前尚缺乏实质性证据。根据本项研究对东非蓖麻品种的实地考查，发现东非的蓖麻品种属于多年生树木，并且具有典型的野生种特征，如易开裂的果实和很小的种子。相比之下，大多数栽培品种和地方品种则是一年生的矮小作物。这支持了驯化蓖麻可能来自于东非野生祖先的观点。

近年来的分子研究表明，世界范围内的栽培蓖麻品种遗传多样性低，并且地理结构特征不明显，严重阻碍了蓖麻的育种研究。另外，蓖麻的起源和驯化研究尚不充分，其显著表型差异的遗传基础在很大程度上仍不清楚。因此，研究并揭示蓖麻的栽培起源，群体动态历史以及重要农艺性状的分子基础具有非常重要的现实意义。

研究结果

1. 野生蓖麻种高质量参考基因组组装

利用PacBio Sequel三代测序平台和Hi-C测序数据组装了野生种蓖麻树（Rc039）的基因组（图1a），基因组大小 ~336 Mb，contig N50为11.59 Mb，scaffold N50为32.06 Mb。野生蓖麻基因组中重复元素组成约占53.9%，其中长末端重复（LTR）最丰富（占26.02%）。共预测到25,826个蛋白编码基因、40,966个转录本和3180个非编码RNA，超过92%的预测基因与公共数据库中已知功能注释的基因具有同源性。通过比较基因组学分析，发现蓖麻基因组经历了一次古老的WGD事件，与同属于铁苋菜亚科的法国山靛（M. annua）聚在一起，而与其它巴豆亚科植物在大约48.28百万年发生了分化（图1b-d）。对蓖麻（2n=20）、麻风树（2n=22）和木薯（2n=36）进行基因组共线性分析表明，三个基因组之间存在大量共线性和几个大的共线性区域，该结果清楚显示了大戟科主要分支成员基因组如何进行分化和复制（图1e）。

a) 蓖麻基因组特征和遗传多样性的景观。b) 利用OrthoFinder2分析大戟科几个物种与拟南芥的同源基因家族。c) 系统发育树与分化时间。d) 蓖麻及其近源物种基因组旁系同源基因的4dTv距离密度分析。e) 蓖麻、麻风树和木薯之间基因组共线性分析。

2. 对279份种质资源进行重测序和群体遗传结构分析

以组装的蓖麻野生种基因组为参考基因组，对279份种质的进行了重测序数据（平均测序深度19.5×），结合226份已发表的数据，共获得来源于35个国家和地区505份重测序数据进行蓖麻种群遗传结构分析。505份种质包括182个野生种（56个埃塞俄比亚野生种，126个肯尼亚野生种）和323个栽培种（172个地方品种和151个栽培种）（图2a-b）。

群体结构分析显示这些种质分为三个主要亚群：埃塞俄比亚野生种（WE）、肯尼亚野生种（WK）和栽培种（LC）（图2c-e）。其中埃塞俄比亚野生种和肯尼亚野生种遗传关系较近， 连锁不平衡（LD）衰减距离相似，均有较高的遗传多样性，而与栽培种之间有明显的遗传分化（图2f-g）。栽培种群体没有明显的亚群和地理结构区分，且遗传多样性显著下降，表明早期蓖麻的驯化源自少数野生个体或者群体，随后发生了世界范围内的广泛引种。另外，通过对亚洲蓖麻进行分析，发现西亚地区品种遗传多样性较高，而东南亚和中国蓖麻品种遗传多样性低，表明目前印度和中国的栽培品种种质比较单一。

a）505份种质地理分布图。b）从埃塞俄比亚和肯尼亚收集的种质分布地图。c）系统发育树。d）种群结构图。e）PCA。f）遗传距离和种群分化。g）连锁不平衡（LD）衰减。

3. 种群动态历史分析

种群动态历史分析揭示蓖麻群体在4400至6000年前经历了一次严重的瓶颈事件，导致了有效群体大小急剧下降。随后有效群体大小缓慢增加，在200至4000年前达到最大（图3a），推测可能与第一次工业革命（机器制造）期间为获取具有高级润滑油特性的蓖麻油而大量引种栽培有关。同时，该研究发现野生蓖麻与栽培蓖麻的分化时间约在3200年前，与古埃及栽培蓖麻的考古时间大致相同。但埃塞俄比亚（WE）和肯尼亚野生蓖麻（WK）在约7000年前就发生了分化。通过潜在适生区预测分析，发现在全新世中期 （7000-5000 年前），野生蓖麻群体在埃塞俄比亚和肯尼亚边境地区发生了大规模减少，甚至消失。已有大量证据表明，约6000年前该区域遭受了频繁的极端干旱事件，导致湖泊水面急剧下降、植被消失和人类迁徙。这些结果表明蓖麻群体的遗传瓶颈和群体分化可能与当时肯尼亚边境地区急剧的气候变化有关（图3b-c）。

a) 利用WGS SNPs数据进行种群动态历史（SMC++）分析推断了WE(蓝点)、WK(红点)和LC(绿点)的有效种群大小和分歧时间。b) 基于生态位模型的蓖麻分布预测。c）东非裂谷系统地图。

4. 选择性位点清除分析

通过比较野生种群体（包括WE和WK）与栽培种群体（LC），采用ROD和FST分析方法进行选择性清除位点扫描。共鉴定出326个受人为选择的区域，包含1220 基因，主要涉及开花（如TFL1），次生细胞壁合成（如MYB46）和适应性相关的通路。同时，一些与种子大小相关的基因（如SOD7，TTG2，GW5，ABI5）也受到了选择（图4a-b）。通过GWAS分析鉴定出13个与3种株型性状显著相关的信号，其中一个与茎节数（NN）有关，9个与茎粗（DMS）有关，2个与植株高度（PH）有关（图4c-e）。

a，b) 分别用ROD方法（a）和FST方法（b）进行选择性清除区域鉴定。c）利用GWAS筛选NN和DMS显著关联位点。d）GWAS信号周围的LD热图。e）利用GWAS筛选PH显著关联位点。

5. GWAS分析和QTL定位

蓖麻种子大小和粒重性状的GWAS分析和QTL定位。将种子性状拆分为种子长度（SL）、宽度（SW）、厚度（ST）、面积（SA）、单粒种（SSW）和籽油含量（SOC）。利用构建的种子大小的RIL群体进行QTL定位，鉴定到除SA之外五个性状的18个QTLs位点。通过GWAS鉴定到与除SOC外的5个性状显著关联的17个位点（图5）。对这些位点所包含的基因进行功能分析，为理解蓖麻株型性状和产量关联性状的遗传基础提供了重要的信息。

a-d）种子长度(SL, MLMM模型)、种子宽度(SW,MLM模型)、种子厚度(ST, MLM模型)和种子面积(SA, MLMM模型)的GWAS。e）以Rc250（大种子）和Rc249（小种子）为材料构建RIL群体进行种子大小的QTL定位分析。f）显示与单粒重性状关联的GWAS信号的曼哈顿图。g）ARPN基因非同义SNP与LD热图。h）GWAS群体中SSW单倍型类型比较。i）WE、WK和LC群体中， 2号染色体上显著SNP周围的等位基因分布。

研究结论

该研究揭示出东非蓖麻是现存的野生种，而栽培蓖麻大约发生在3200年前。野生蓖麻群体在约7000年前发生分化，可能与东非大裂谷Turkana Depression区域的急剧气候变化有关，这次事件也导致蓖麻有效群体大小的减少和瓶颈的发生。通过选择性清除和GWAS分析，揭示出大量与蓖麻株型和种子大小相关的候选位点。该研究不但为人们理解蓖麻的起源、驯化和群体动态历史提供了新的认识，尤其是对多年生木本树到一年生作物的驯化过程，而且为蓖麻的遗传育种和改良提供了丰富的野生资源和候选基因（图 6）。

参考文献

Xu, W., Wu, D., Yang, T. et al. Genomic insights into the origin, domestication and genetic basis of agronomic traits of castor bean. Genome Biol 22, 113 (2021). 

说明：本文源自欧易生物微信公众号