该研究由Jia-Ming Song、Zhilin Guan、Jianlin Hu等来自华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和农业生物信息学湖北省重点实验室的研究团队完成，于2020年1月发表在《Nature Plants》期刊（Volume 6, Pages 34–45）。研究题为《Eight high-quality genomes reveal pan-genome architecture and ecotype differentiation of Brassica napus》，聚焦于甘蓝型油菜（Brassica napus）的基因组多样性与生态型分化机制。

学术背景

甘蓝型油菜是全球第二大油料作物，贡献了13%-16%的植物油产量。作为异源四倍体（AACC，2n=38），它由二倍体祖先种白菜（B. rapa, AA）和甘蓝（B. oleracea, CC）在7500年前自然杂交形成。由于季节性适应（如春化需求、耐寒性和光周期响应），甘蓝型油菜分化为冬性（WORS）、半冬性（SWORS）和春性（SORS）三种生态型。尽管已有多个油菜基因组被解析（如Darmor-bzh、Tapidor、ZS11），但现有组装基于454 GS-FLX、Sanger测序或中等覆盖度的PacBio数据，难以准确检测结构变异（Structural Variations, SVs），而SVs是作物农艺性状遗传多样性的关键驱动因素。本研究旨在通过构建高质量的泛基因组（pan-genome），解析生态型分化的遗传基础。

研究流程与实验方法

1. 基因组组装与注释

   • 材料选择：选取8个代表性甘蓝型油菜品系，涵盖4个SWORS（ZS11、Gan Gan、Zheyou7、Shengli）、2个WORS（Tapidor、Quinta）和2个SORS（Westar、No2127）。
     
   • 测序策略：整合PacBio SMRT长读长测序（覆盖率64-96×）、Illumina短读长校正、Hi-C染色体构象捕获和Bionano光学图谱技术。ZS11基因组通过Hi-C数据将contig锚定到19条染色体，其余品系以ZS11为参考进行定向。
     
   • 组装质量： scaffold N50达50.90-57.88 Mb，基因组大小1,001-1,033 Mb，BUSCO完整性>98%。转座元件（Transposable Elements, TEs）占比56.8%-58.2%，显著高于此前公布的Darmor-bzh基因组（34.8%）。
     
   • 基因注释：结合同源预测和RNA-seq证据，鉴定出94,586-100,919个基因模型，平均每个基因含5个外显子，编码区长度约1 kb。

2. 泛基因组构建与变异分析

   • 泛基因组定义：整合8个新组装基因组和Darmor-bzh基因组，形成包含152,185个基因的泛参考基因组（~1.8 Gb）。基因簇分为核心基因（core-genes，存在于≥7个基因组，占56%）、非必需基因（dispensable genes，存在于2-6个基因组，占42%）和特异基因（specific genes，占2%）。
     
   • 结构变异检测：
     
     • 小变异：鉴定出1.87-3.93×10^6个SNPs和0.98-1.48×10^6个小插入/缺失（indels）。
       
     • 大变异：发现77.2-149.6 Mb的存在/缺失变异（Presence/Absence Variations, PAVs），涉及2,619-4,810个基因；40个>50 kb的大倒位和3,716个易位事件，其中同源交换（Homologous Exchange, HE）是主要机制。
       

3. PAV-GWAS与性状关联分析

   • 群体设计：以ZS11为供体，构建包含2,141个重组自交系（RILs）的巢式关联作图（NAM）群体。
     
   • 方法对比：比较SNP-GWAS和PAV-GWAS对角果长度（SL）、千粒重（SW）和开花时间的检测能力。
     
   • 关键发现：
     
     • 角果性状：PAV-GWAS直接定位到BnaA09.CYP78A9启动子区的3.9 kb CACTA-like转座子插入，该插入作为增强子提高基因表达，导致角果增长和种子增重（P=3.8×10^-231）。
       
     • 开花时间：PAV-GWAS在BnaA02.FLC（第6外显子824 bp HAT插入）、BnaA10.FLC（启动子区4,421 bp HAT插入）和BnaC02.FLC（HE事件导致的拷贝数变异）中发现关键PAVs。生态型间转座子插入模式差异显著：WORS含MITE插入（增强表达需强春化），SORS含LINE插入（功能缺失无需春化），SWORS含HAT插入（中等春化需求）。
       

主要结果与逻辑关联

• 基因组变异：通过比较基因组学揭示SVs是油菜表型多样性的主要来源，其中PAVs富集于防御响应和信号传导相关基因。
  
• 泛基因组价值：核心基因主要参与基础代谢，而特异基因富集于胁迫响应，为育种提供新靶点。
  
• 性状机制：PAV-GWAS突破SNP-GWAS的局限性，直接定位到CYP78A9和FLC基因的功能性SVs，解释了生态型分化的分子基础。例如，BnaA10.FLC的转座子插入模式与生态型分类高度一致（WORS中MITE占100%，SWORS中HAT占81%）。
  

研究意义与亮点

• 科学价值：首次构建甘蓝型油菜高质量泛基因组，揭示SVs在生态型适应中的核心作用。
  
• 应用价值：PAV-GWAS策略为复杂性状遗传解析提供新范式，标记（如FLC基因的转座子插入）可用于生态型快速鉴定与分子育种。
  
• 创新性：
  
  1. 整合多技术提升组装连续性（如Hi-C锚定染色体、Bionano验证）。
     
  2. 提出“基因索引（Gene Index）”系统（如HubnaA01g0071），实现跨品系基因比对。
     
  3. 发现FLC基因的转座子插入是生态型分化的“分子开关”。
     

其他重要发现

• 进化分析：A亚基因组在近100万年内扩张活跃，而C亚基因组在300万年内持续积累LTR反转座子。
  
• 数据库资源：公开了泛基因组坐标系统（http://cbi.hzau.edu.cn/bnapus），支持基因查询、SVs分析和数据下载。

该研究为油菜功能基因组学和分子设计育种奠定了基石，其方法学框架（如PAV-GWAS）可拓展至其他多倍体作物研究。