近日，山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花生栽培與生理生態(tài)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合山東師范大學(xué)和華大基因北方中心等多家單位在植物學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=8.154）在線發(fā)表了題為“Insights into amphicarpy from the compact genome of the legume Amphicarpaea edgeworthii”的研究論文。該研究利用最新的測序技術(shù)和生物信息學(xué)分析方法，獲得了一個高質(zhì)量兩型豆基因組，是目前唯一一個兩型結(jié)實(shí)植物基因組，該研究為兩型結(jié)實(shí)植物繁殖策略研究提供了重要基因組學(xué)資源，為揭示花生等地下結(jié)實(shí)等習(xí)性的演化提供了新線索。由于具有基因組小，種子較多等特點(diǎn)，作者建議今后將兩型豆作為研究植物兩型結(jié)實(shí)的模式植物。

 

　　地上/下兩型結(jié)實(shí)是被子植物中一類獨(dú)特的結(jié)實(shí)方式，是地上結(jié)實(shí)和地下結(jié)實(shí)的中間階段，這種獨(dú)特的繁殖策略被認(rèn)為是植物對外界環(huán)境不確定性選擇進(jìn)化的結(jié)果。被子植物中13科24個屬均存在兩型結(jié)實(shí)現(xiàn)象，兩型豆（A. edgeworthii）為豆科兩型豆屬一年生纏繞草本植物，常生于海拔300-1800米的山坡，喜濕怕高溫，分布于中國東北、華北等地，在日本、北美亦有分布。其同一植株上能夠產(chǎn)生三種類型的花，即地上開放花、地上閉鎖花和地下閉鎖花，能夠分別在地上和地下發(fā)育成形態(tài)不同的果實(shí)，為典型的地上/下兩型結(jié)實(shí)的代表植物，是研究植物地上/地下結(jié)實(shí)的理想材料。

 

　　該研究采用三代Nanopore測序技術(shù)結(jié)合染色體構(gòu)象捕獲（Hi-C）技術(shù)成功組裝了兩型豆染色體水平的高質(zhì)量參考基因組序列。該基因組組裝大小約為299 Mb，contig N50約為9.7Mb，共鑒定到27,899個蛋白質(zhì)編碼基因。比較基因組分析顯示，兩型豆與大豆屬植物的親緣關(guān)系最近。研究發(fā)現(xiàn)，兩型豆基因組是目前已測試的920個豆科植物中最小的，其可能原因是基因組在進(jìn)化過程中由于同源重組不平衡導(dǎo)致長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量減少所致。同時，在兩型豆基因組中發(fā)現(xiàn)，與抗病和抗逆性相關(guān)的基因家族發(fā)生了顯著收縮及基因丟失，推測與兩型豆“兩頭下注（bet- hedging strategy）”的生殖策略有關(guān)，是對該物種較弱環(huán)境適應(yīng)能力的一種補(bǔ)償機(jī)制。

 

　　對兩型豆的開放花與閉鎖花基因組分析發(fā)現(xiàn)，推測導(dǎo)致兩型花發(fā)育差異的原因是由兩型豆的花發(fā)育“ABCE”模型中MADS-box基因具有不同的表達(dá)模式所致。正選擇基因分析顯示，控制花瓣發(fā)育AP3同源基因在兩型豆基因組中受到正選擇。此外，地上/下兩型結(jié)實(shí)植物的地上/下種子往往具有不同的休眠性。研究發(fā)現(xiàn)兩型豆中的地上和地下種子的休眠特性與其種皮的硬實(shí)度有關(guān)。結(jié)合地上與地下果實(shí)種皮結(jié)構(gòu)和基因不表達(dá)數(shù)據(jù)，鑒定了多個蠟質(zhì)及角質(zhì)層合成途徑關(guān)鍵基因，這些基因的表達(dá)差異可能與地上和地上種子硬實(shí)性有關(guān)。

 

　　山東農(nóng)科院生物技術(shù)研究中心劉譯陽博士，山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張學(xué)杰教授和華大基因北方中心韓凱為論文共同第一作者，山東農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心萬書波研究員，李國衛(wèi)研究員，華大基因北方中心范廣益博士為共同通訊作者，團(tuán)隊(duì)多位教師和學(xué)生也參與了該項(xiàng)研究，同時也得到了國內(nèi)外多家單位相關(guān)研究學(xué)者的參與和支持。研究工作受到了國家自然科學(xué)基金和泰山學(xué)者等項(xiàng)目的資助和支持。