《Frontiers in Plant Science》：A gene-based pangenome reveals genomic divergence and altitudinal differentiation in allotetraploid quinoa
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藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）是一种具有非凡环境适应性的异源四倍体作物。为探究其遗传多样性、进化动态及海拔分化，研究人员利用11个基因组（7个高地生态型和4个低地生态型）构建了基于基因的泛基因组，共包含51,298个直系同源群，其中
藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）是一种具有非凡环境适应性的异源四倍体作物。为探究其遗传多样性、进化动态及海拔分化，研究人员利用11个基因组（7个高地生态型和4个低地生态型）构建了基于基因的泛基因组，共包含51,298个直系同源群，其中19,653个为核心泛基因，表明在所取样材料中泛基因组结构接近闭合。进化分析显示，核心泛基因经历了最强的纯化选择，而私有泛基因的纯化选择最弱，尽管与其他三类泛基因集的差异在统计学上不显著。亚基因组不对称性分析表明，亚基因组A保留的单拷贝基因少于亚基因组B，且剂量敏感的双拷贝基因富集于生物胁迫相关结构域，而串联重复基因与非生物胁迫适应相关。存在/缺失变异（PAV）分析鉴定出7,477个在高地生态型中富集的直系同源群和3,549个在低地生态型中富集的直系同源群。研究人员提醒，这些数量可能因样本量不均（7个高地vs. 4个低地生态型）而被大幅高估，应将其解释为描述性的富集模式，而非生态型分化的确定性证据。高地富集基因富集于转座子相关家族和FAR1结构域，可能增强基因组可塑性和光信号感知；而低地富集基因富集于氮代谢和防御相关家族。甜菜红素生物合成基因（CqCYP76AD、CqDODA、CqDOPA5-GT）的拷贝数变异并非高地和低地生态型种子颜色分化的主要驱动因素。四个正选择基因（包括NADH-醌氧化还原酶和MT-A70）携带群体特异性氨基酸替换，可能有助于差异适应，潜在优化光合代谢、RNA表观遗传修饰和蛋白质稳态。这些发现为藜麦环境适应和海拔分化的基因组基础提供了见解，并为分子育种提供了基因组资源。
藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）是一种源自南美安第斯山脉的异源四倍体假谷物，因其全面的营养组成和卓越的胁迫耐受性而受到全球关注。该物种由两个二倍体祖先在大约330万至630万年前杂交形成，A亚基因组可能源自与现存的C. watsonii相近的祖先，B亚基因组则源自北美沿海二倍体C. suecicum或C. ficifolium/C. berlandieri复合群中的物种。异源多倍化赋予藜麦丰富的遗传多样性和适应可塑性，使其能够从海平面到安第斯山脉4000米海拔的多种农业生态区广泛分布。现代栽培藜麦中，安第斯高地型和智利沿海低地型是两个典型生态型，它们在开花时间、籽粒大小、蛋白质含量和抗逆性等性状上存在显著差异。尽管过去十年已产生多个藜麦参考基因组，但单个参考基因组无法充分反映物种内部的全部遗传变异，因此构建基于基因的泛基因组对于解析藜麦的遗传多样性、进化动态和适应机制至关重要。
研究人员利用11个藜麦基因组（7个高地生态型和4个低地生态型）构建了基于基因的泛基因组，共获得504,240个代表性基因，划分为核心、软核心、非必需和私有四类。泛基因组共包含51,298个直系同源群，其中核心泛基因占38.31%，软核心占9.84%，非必需占41.75%，私有占10.1%。泛基因组累积曲线分析显示，在当前11个材料的取样范围内，基因库已接近饱和，呈现近乎闭合的泛基因组架构。BUSCO评估显示11个基因组的完整性在94.5%至98.6%之间，表明基因注释质量较高，为后续分析提供了可靠基础。
在研究方法上，研究人员从公共数据库获取11个藜麦品种的基因组序列、编码序列、蛋白序列和基因注释文件，每个基因仅保留最长转录本作为代表序列，并过滤转座子相关转录本。利用OrthoFinder进行直系同源群鉴定，按存在频率将泛基因分为核心、软核心、非必需和私有四类。通过葡萄（Vitis vinifera）作为外类群，对22个A/B亚基因组进行系统发育重建。使用KaKs_Calculator计算选择压力，采用Pfam和GO富集分析基因功能。通过DIAMOND BLASTP和MCScanX鉴定亚基因组间的直系同源对和串联重复基因。PAV分析比较高低地生态型特异的直系同源群和蛋白家族。针对甜菜红素合成相关基因，通过同源搜索和保守结构域验证进行鉴定，并构建系统发育树。正选择基因分析则采用PAML的支模型和支-位点模型。
研究结果分为七个部分。第一，高质量藜麦基因泛基因组分析显示，最终泛基因组含有51,298个直系同源群，其中核心泛基因19,653个（38.31%），软核心5,050个（9.84%），非必需21,416个（41.75%），私有5,179个（10.1%）。模型拟合表明基因库接近饱和，呈近闭合结构。第二，泛基因集功能分化分析表明，所有四类泛基因的Ka/Ks值均显著小于1，显示受到纯化选择；核心泛基因的Ka/Ks平均值最低（0.1172），表明其进化约束最强；私有泛基因的Ka/Ks平均值最高（0.1574），但与其他三类无显著差异。非必需泛基因富集于蛋白激酶和转录因子，私有泛基因富集于NBS-LRR等抗病基因，且与分生组织发育相关。第三，高地与低地藜麦新系统发育分析将22个亚基因组分为A和B两个主要分支，所有A亚基因组聚在A分支，所有B亚基因组聚在B分支。沿海低地品种QQ74的两个亚基因组到外类群葡萄的分支长度最短，显示其保留了最多的祖先遗传印记；而三个高地品种（D-10126、03-21-072RM、CHEN-199）的分支长度较长，可能反映较高的替代速率或漂变。第四，亚基因组不对称进化分析表明，在所有材料中A亚基因组保留的单拷贝基因均少于B亚基因组，双拷贝保留基因（剂量敏感基因）数量约为单拷贝保留基因总和的两倍。剂量敏感基因富集于NB-ARC、Rx N端等抗病相关结构域，而串联重复基因富集于盐胁迫响应、过氧化物酶等非生物胁迫相关家族。串联重复在B亚基因组中更丰富，且与剂量敏感基因分别靶向非生物和生物胁迫。第五，高地与低地藜麦的存在/缺失变异（PAV）分析鉴定出7,477个高地特异性直系同源群和3,549个低地特异性直系同源群，高地特异基因富集于转座子相关家族和FAR1 DNA结合域，低地特异基因富集于脲苷通透酶、几丁质识别蛋白、Myb/SANT转录因子等。研究人员强调样本量不均（7个高地vs. 4个低地）可能使高地富集基因数目被高估，这些结果应视为描述性富集模式。此外，高地品种J075和J100含有15个含谷胱甘肽S-转移酶C端结构域的植物-病原互作基因，低地品种QQ74独有18个含G-patch结构域的基因。第六，藜麦种子颜色相关基因分析显示，甜菜红素合成关键基因CqCYP76AD、CqDODA和CqDOPA5-GT在11个基因组中的拷贝数分别为213、184和20，系统发育分析将CqCYP76AD分为α、β、γ三组，CqDODA分为α、β两组。除CYP76AD-α在J075和J100中存在极端值、CqDOPA5-GT在CHEN90和QQ74中仅有一个拷贝外，各生态型间拷贝数基本一致，表明拷贝数变异不是种子颜色分化的主要驱动因素。第七，正选择基因分析在藜麦分支中检测到四个正选择基因，编码NADH-醌氧化还原酶、MT-A70、UBA样结构域蛋白和二硫键异构酶SCO2，它们可能分别参与光合能量代谢、RNA修饰、泛素介导的蛋白质周转和叶绿体蛋白折叠，但具体机制尚需实验验证。
讨论部分指出，泛基因组的闭合性反映了当前取样范围内的饱和状态，但纳入野生近缘种和更多地方品种可能发现更多私有基因。非必需泛基因的高比例表明藜麦保留了大量遗传灵活性。高地与低地生态型的系统发育分化可能归因于安第斯地区的强烈人工选择和驯化压力，高地品种通过转座子扩张增强基因组可塑性，而低地品种则优先代谢效率和生物防御。亚基因组不对称性体现了多倍化后剂量敏感基因和串联重复基因在生物与非生物胁迫适应中的互补作用。正选择基因的鉴定为海拔适应候选位点提供了初步线索，但需要功能验证。研究结论强调，非必需泛基因、亚基因组不对称进化和正选择基因共同塑造了藜麦的遗传多样性和环境适应性，这些发现为藜麦分子育种提供了宝贵的基因组资源和理论基础。
