为什么它有着超复杂四倍体基因组？《Nature Genetics》解密现代栽培花生

为了了解花生抗病性和产量的遗传学，乔治亚大学的科学家领导的研究人员发现了花生不太可能和复杂的进化过程。

　　

作为国际花生基因组计划的一部分，研究人员先前已经查明了花生的两个野生祖先之一，并表明花生是南美洲一些最早人类农业社会的活遗产。从那时起，研究小组绘制了整个花生基因组图，并确定了该作物的第二个野生祖先，以及揭示了这种敏感的、囤积种子的植物形成我们今天看到的多样性的新机制。

“由于其复杂的遗传结构，因此只有利用最新的测序技术，才能对花生进行测序。其结果具有重要的意义，为花生作物的选育和改良提供了参考依据，也揭示了花生具有独特的遗传结构的机制，”佐治亚研究联盟杰出研究员、农业与环境科学学院花生领域专家David Bertioli说。

Bertioli通过农业与环境科学学院对植物育种、遗传学和基因组学进行研究，该研究院拥有世界上一些作物科学领域最重要的专家，并在提供新的基因组工具和信息以帮助世界各地的植物育种家开发可持续、更具生产力的作物品种方面发挥了巨大作用。

最新的论文发表在Nature Genetics杂志上。

根据美国农业部的数据，世界各地的农民在超过6400万英亩的土地上种植4490万公吨花生。该作物是非洲和亚洲许多地区的主食，也是美国花生酱、零食和食用油的来源。仅在乔治亚州，农民每年就种植8.25亿美元的花生。

尽管它们作为一种作物很重要，但是植物研究人员还没有足够的遗传工具来促进可持续的、更高产量的花生品种的产生。这是因为，直到最近，科学家还无法绘制花生的超复杂四倍体基因组。花生基因组计划的国际合作和技术以及数据处理的进步带来了突破。

花生基因组测序

该小组发现的基础是基因组的测序。由于花生起源于几千年前两个野生祖先物种的杂交，该项目的初始阶段涉及研究人员为这些祖先创建基因组序列。祖先的基因组共同构成了栽培花生的遗传结构的原型。该结果是在2016年发表的。

本月5月1日，花生基因组计划发表在Nature Genetics杂志上的一篇论文中讨论了现代栽培花生的整个基因组序列。

研究人员利用DNA测序技术的新进展来获得一个质量空前完整的基因组序列。该序列由超过25亿个碱基对组成，20对染色体排列，其中10对来自两个祖先中的一个。

序列中的信息揭示了控制种子大小和抗病性等性状的部分植物遗传密码，这些性状对植物育种学家很重要。但这一序列也进一步揭示了南美农业初期花生的起源，以及产生多样性并适应全球环境的遗传机制。

花生之母

利用新的基因组序列作为框架，研究小组能够分析世界各地200多种花生的变异情况。研究人员发现，所有被测花生植株都有特征性的遗传指纹，这为所有现代花生品种都来源于同一个原始杂交品种提供了新的证据。

“这项新的研究强调了几千年前由于非常特殊的环境导致花生的起源。古代农民把一个物种转移到另一个物种的范围内，允许它们的杂交和形成一个新的作物物种，”乔治亚大学植物育种、遗传学和基因组学研究所和农业与环境科学学院植物病理学系的资深研究科学家Soraya Leal-Bertioli说。

科学家先前已经发现了最初杂交的雄性供体和花生“B”亚基因组的起源。在这项新的研究中，他们确定了雌性供体，追踪到在阿根廷的Rio Seco这个地方有个野生祖传花生的种群是花生“A”亚基因组的起源。这些构成了花生的“母亲”种群。

“但是，所有现代花生都可以追溯到一个原始的杂交品种的证据又给我们带来了另一个谜，”Leal-Bertioli说。一个遗传基础如此单一的植物是如何产生如此多的变异和变种的？

基因洗牌

大多数开花植物依靠动物或天气将其花粉或种子传播到其他植物，以产生遗传多样性。花粉和种子可以传播数英里，将新发生的性状传播到新的种群。

但在地下生产种子的花生却不这样做。它们需要早期的人类农民和将它们的种子长途运输，使它们的祖先在一起。

然而，从那时起，这种植物就利用了一种新的机制来创造多样性。花生有两套染色体，两个祖先各提供一套。通过对世界各地200多个栽培花生的分析，发现不同的地方品种和栽培品种对祖先的遗传物质进行了洗牌，并删除了一些部分。在过去的10000年里，这种洗牌已经发生了数千次，比仅仅依靠变异的植物获得更多的多样性。

在乔治亚大学校园的一个温室里，Bertiolis已经通过杂交重新创造了原始的祖传花生，并实时观察了它们的蜕变。他们记录了它在自发改变花色外观中的作用。“这些相同的遗传机制也会产生其他类型的变异，”David Bertioli说。

Leal-Bertioli说，这一现象解释了今天花生的多样性。

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原文检索：The genome sequence of segmental allotetraploid peanut Arachis hypogaea

（生物通：伍松）