福建农林大学公布栽培种花生全基因组序列，助力花生遗传改良

花生是世界上重要的油食兼用作物和第二大植物蛋白质来源，是最有影响力的豆科作物之一。全世界有106个国家种植花生、每年种植面积达2500万公顷，总产4600万吨。花生籽仁含有80%左右的脂肪和蛋白质，富含不饱和脂肪酸、白藜芦醇、叶酸、膳食纤维，被誉为“长生果”。在亚洲和非洲花生产量高于大豆，是防止营养不良和确保食品安全供给的重要作物。我国是世界花生第一大国，种植面积达7500多万亩，产量达1700万吨，占世界总产量约40%，占全国油料作物总产（不含大豆）近50%，其种植业产值达1200亿元，居全国农作物（水稻、小麦、玉米之后）的第四位。在当前我国油料短缺严峻、食用油66%依赖进口情况下，花生生产关系国计民生。随着高油酸花生的出现，花生将提供与橄榄油、茶籽油一样或更好的大宗食用油和更优质的食品。花生产业将面临前所未有的广阔发展前景。鉴于花生的重要经济价值，近十多年来国际上积极开展花生的基因组研究。如美国、巴西和印度等，但因四倍体栽培种花生基因组大、复杂，A、B两个亚基因组相似性高，一直未能获得突破性进展。

福建农林大学庄伟建教授牵头，联合ICRISAT（国际半干旱热带地区作物研究所）、武汉未来组研究院、华北理工大学、美国佛罗里达大学、台湾成功大学、广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所、山东省农业科学院高新技术研究中心、山东花生研究所、美国乔治亚大学、河南省农业科学院、中国农业科学院油料作物研究所、仲恺农业工程学院、美国Tuskegee大学等和其它美国、印度、台湾的科学家共23单位78个研究人员，经过艰苦努力工作，在国际上首次破译了四倍体栽培种花生的全基因组，先于2017年12月22日通过互联网在福建农林大学官网率先向世界公布了花生全基因组序列、精细结构框架、基因组注释成果和其它相关研究成果，于2019年5月1日以The genome of cultivated peanut provides insight into legume karyotypes, polyploid evolution and crop domestication 为题发表在Nature Genetics上。研究成果具有重大的科学意义和社会效益，奠定了中国花生在基础生物学研究的国际领先地位。

为破译栽培种花生的基因组，科学家团队利用具有全国70%育成品种血缘的狮头企为材料，利用三代单分子测序技术、染色体构象捕获技术和超高密度遗传图谱，以及其他生物信息学、遗传学、功能基因组学等手段，突破复杂基因组组装的困难，获得了高质量的重叠群（Contigs，N50=1.51 Mb）和基因组支架（Scafolds，N50=135.6 Mb），组装总长达2.54 Gb，占花生基因组总长94.1%，进而精确组装到20条染色体水平（全长2.51 Gb，N50=135.1 Mb）的高质量四倍体花生基因组。通过Ab initio预测，结合全面的RNA-seq和全长mRNA Iso-seq获得饱和表达基因，准确注释了83709个蛋白编码基因。用创新技术确定花生有30596个无冗余等位性同源基因对和27913个重复基因，这些同源基因对普遍存在表达显性现象，且显性基因大多分布在B亚基因组，为准确研究基因功能、表达、剂量效应和遗传模式奠定坚实基础。深入研究揭示A亚基因组LTR转座子四倍化后大量扩增导致基因失活、是同源基因表达显性的原因。这是世界上第一个完成花生全基因组测序和染色体精细结构框架注释的花生基因组。

揭示了栽培种花生B亚基因组与二倍体A. ipaensis序列更相似，在基因保留、基因扩增、基因转换和染色体进化上更稳定。A亚基因组四倍化后结构进化活跃，80%的重组事件发生在A亚基因组。发现野生A、B基因组和B亚基因组主要LTR转座子在前1百万年有大量扩增，而A亚基因组LTR无扩增，四倍化后有大规范扩增，对栽培种染色体重塑起主导作用，说明已测序的A. duranensis不是栽培种A亚基因组的供体。通过比较花生与其它豆科物种和葡萄染色体揭示了花生染色体的进化独立于其它豆科物种，豆科植物染色体起源经历了从1亿3千万年前的核心双子叶植物共同六倍化产生的21条染色体，经融合和交换演变为16条豆科基础染色体，经共同四倍化后变成32条染色体，再经历融合重组恢复为16条豆科祖先染色体，花生祖先10条色体是由豆科祖先染色体经过6次染色体融合和2次交换进化而来，最后经天然杂交和全基因组加倍产生了栽培种花生20条染色体核型。

为研究栽培种花生性状进化，比较了基因含量变化发现，栽培花生A和B亚基因组分别拥有37059个和46650个基因，比二倍体祖先分别扩增了0.88%和12.46%。研究发现栽培种花生有10974个基因扩增了3~51拷贝，如生长素反应因子ARF等基因家簇从两个野生种的56个基因扩增到114个；CYP78A6从B基因组一个串联重复产生了三个拷贝；这可能是四倍化后花生种子变大的原因；揭示了栽培种花生共有661个R基因较两个野生祖先总和减少152个，并且在栽培驯化过程中选择性丢失了CC-NB-LRR基因，而TIR-NB-LRR基因数量稳定，解释了栽培花生许多抗性下降的原因。我们还揭示了花生油脂代谢基因的选择性扩增和丢失，发现四倍化后许多冗余基因丢失，而野生种中的50个单拷贝基因家族出现不同程度的扩增，与脂肪酸合成、信号转导和甘油三脂合成有关的6个家族扩增了23个基因，与栽培花生高油产量相符；研究把426个油脂代谢重要基因定位在125个QTL区，建立了油脂代谢网络。这为花生油脂含量和品质改良奠定了基础。此外，研究还鉴定了13个豆科物种共有119基因家族，花生具有95个家族的165个固氮基因，为豆科植物所共有；发现花生固氮信号基因存在与其它豆科作物有不同的序列结构和进化分支。揭示了花生特殊固氮机制的遗传基础。

通过比较栽培和野生花生所有共线性基因对的同义碱基替换率（Ks）和基因的Beast2分析，揭示栽培种花生起源于前42~47万年，否定了栽培种花生是起源于距现在6600年前，人类参与栽培花生起源的报道。通过对12物种52份材料（包括30个四倍体栽培花生、18个不同野生种包括二倍和四倍体祖先和4个人工四倍体）的重测序，揭示了栽培种花生四倍化后亚种和变种是独立演化的，是天然杂交产生的后代变异系被迁移到不同生态区域分别栽培驯化形成的。对两个野生种正反交加倍后的人工合成四倍体的遗传和进化树分析，发现它们具有不同倍数的A.duranensis亲本基因组含量，不存在全基因组加倍事件，进一步质疑A.duranensis是栽培种的祖先。对遗传改良育成的优良品种分析发现，他们皆属珍珠豆型亚种开花特性但具有两个亚种的遗传结构成分。研究提出了四倍体栽培种花生物种起源、进化和栽培驯化的全新假说。

在揭示高质量花生基因组基础上，对40个已发表的QTL锚定在特定的染色体位点，为标记开发和揭示重要性状的候选基因奠定了基础。研究通过构建国际上最大的高代稳定RIL群体和超高密度遗传图谱，首次定位并发现了控制花生种皮颜色的候选关键基因及其超量表达产生红色种皮的分子机制。通过QTL定位和QTL-seq首次在Chr07和Chr12发现了两个决定花生种子大小的候选基因座，得到了SAP、CYP78A6和ARF2等种子大小决定基因，初步阐明了分子机制。借助基因组和BSA-seq也揭示了来自野生种A03（Chr03）染色体的花生抗晚斑病和锈病基因已经转移到栽培种的B03（Chr13）染色体，定位在相同位点与两种抗性共分离的R基因簇，包含两个R基因。为阐明抗性分子机制和抗性遗传改奠定了基础。高油酸是花生品质育种的关键，通过EMS和γ-射线诱变我们首次创制了双基因隐性突变高油酸花生品系，重测序证实是一次诱变使FAD2a和FAD2b双基因失活，产生了高油酸花生。

基因组研究的重大意义解决生物学问题。本项目在高质量破译栽培种花生全基因组序列精细结构基础上，对一些重要生物学问题进行了系统深入的解释，取得了重大突破。对花生的基础和应用研究将起到巨大的推动作用，有助于深入阐明栽培种花生的起源、演化和物种多样性，有助于系统解析花生产量、品质、抗性等关键性状形成的分子机理和花生生命周期的分子机理，使花生的全基因组选择育种、精准育种和大规模基因组编辑成为可能，可大大提高花生遗传改良效率，缩短育种周期，培育更高产、优质、抗病、安全新品种，对促进我国和世界花生产业可持续跨越式发展具有重大意义。