近日，广西农业科学院严华兵研究员参与在Molecular Plant（2024年影响因子为17.10）杂志上发表了题为Pan-genome and Haplotype Map of Cassava Cultivars and Wild Ancestors Provide Insights into its Adaptive Evolution and Domestication”的研究论文。该研究针对热带作物耐高光、高温和高生物积累特性，以木薯为热带模式植物，采用野生和栽培群体基因组系统比较方法，获得一套栽培木薯中扩张和共进化且受到高度选择的基因资源，并系统解析了木薯C3-C4中间型光合作用、块根发育与开花协同进化、氰苷代谢演化的关键基因及其代谢途径，为全球木薯遗传改良奠定了重要基础，同时为热带作物重要性状基因挖掘提供了资源。
木薯（Manihot esculenta Crantz）是全球第六大粮食作物，有8亿人口赖以生存。尤其在撒哈拉以南热带非洲，因其漫长的旱季只有木薯等少数块根类作物可以种植。木薯也是重要的生物能源和绿色化工材料的来源。在我国木薯主要作为淀粉、工业和燃料乙醇的原料，每年进口量约2000万吨干片，为国产木薯总量的5倍。木薯是大戟科块根作物，具有耐高温、高光、耐干旱和贫瘠，高淀粉积累等重要生物学特性。现代栽培木薯品种起来源于一个近缘野生祖先亚种（Manihot esculenta ssp. flabellifolia）, 原始的祖先亚种生长于热带雨林边缘，具有攀缘习性，不耐高温、高光和干旱，以种子繁殖为主，不产生块根。而现代栽培亚种是在雨林向稀树草原过度，加上人工栽培逐渐演化而成的。光温适应性显著增强，具有膨大块根，生物量增大，开花与结实弱化。通过野生群体和栽培群体在全基因组维度的系统比较，能够从源头解析现代栽培品种典型生物学特性如C₃-C₄中间型光合作用，块根形成与开花协同进化以及氰苷代谢的基因演变基础。尽管已有部分基因组测序结果，但是相关研究十分有限。
课题组采用PacBio、Nanopore和Hi-C整合技术，构建了栽培种AM560、野生祖先FLA4047和W14近T2T参考基因组和单倍型图谱，完成30个代表品系（22栽培种+8野生种）的图形化泛基因组（1.15Gb），解析群体SV变异特征。通过构建484个木薯多样性种质的系统演化树，发现与近缘野生亚种最接近的一组来自厄瓜多尔和秘鲁的农家品种，结合化石证据和木薯驯化所需气候特征，提出木薯起源地的新假说。野生和栽培品种结构演化的系统比较，发现栽培种中有1965个扩张基因，和141个遗失的收缩基因，且证明这些引发基因扩张与收缩的结构变异主要由转座子驱动。通过对28个野生亚种居群和198个栽培品系重测序变异的选择性删除分析，鉴定出122个选择删除区域，涉及1519个驯化基因，这些基因在野生和栽培群体中均存在，但是在栽培品种演化中受到高度选择，与许多重要农业经济性状密切相关。
木薯（Manihot esculenta Crantz）是全球第六大粮食作物，有8亿人口赖以生存。尤其在撒哈拉以南热带非洲，因其漫长的旱季只有木薯等少数块根类作物可以种植。木薯也是重要的生物能源和绿色化工材料的来源。在我国木薯主要作为淀粉、工业和燃料乙醇的原料，每年进口量约2000万吨干片，为国产木薯总量的5倍。木薯是大戟科块根作物，具有耐高温、高光、耐干旱和贫瘠，高淀粉积累等重要生物学特性。现代栽培木薯品种起来源于一个近缘野生祖先亚种（Manihot esculenta ssp. flabellifolia）, 原始的祖先亚种生长于热带雨林边缘，具有攀缘习性，不耐高温、高光和干旱，以种子繁殖为主，不产生块根。而现代栽培亚种是在雨林向稀树草原过度，加上人工栽培逐渐演化而成的。光温适应性显著增强，具有膨大块根，生物量增大，开花与结实弱化。通过野生群体和栽培群体在全基因组维度的系统比较，能够从源头解析现代栽培品种典型生物学特性如C₃-C₄中间型光合作用，块根形成与开花协同进化以及氰苷代谢的基因演变基础。尽管已有部分基因组测序结果，但是相关研究十分有限。
课题组采用PacBio、Nanopore和Hi-C整合技术，构建了栽培种AM560、野生祖先FLA4047和W14近T2T参考基因组和单倍型图谱，完成30个代表品系（22栽培种+8野生种）的图形化泛基因组（1.15Gb），解析群体SV变异特征。通过构建484个木薯多样性种质的系统演化树，发现与近缘野生亚种最接近的一组来自厄瓜多尔和秘鲁的农家品种，结合化石证据和木薯驯化所需气候特征，提出木薯起源地的新假说。野生和栽培品种结构演化的系统比较，发现栽培种中有1965个扩张基因，和141个遗失的收缩基因，且证明这些引发基因扩张与收缩的结构变异主要由转座子驱动。通过对28个野生亚种居群和198个栽培品系重测序变异的选择性删除分析，鉴定出122个选择删除区域，涉及1519个驯化基因，这些基因在野生和栽培群体中均存在，但是在栽培品种演化中受到高度选择，与许多重要农业经济性状密切相关。
经作所 肖亮供稿/供图
一审一校：严华兵
二审二校：薛臣艺
三审三校：陆炳强
