Molecular Plant | 中国农科院作科所周美亮团队揭示荞麦芦丁合成和花形态遗传基础

荞麦属于蓼科荞麦属（Fagopyrum Mill），是一种起源于我国的重要杂粮作物，至今有4000年以上的栽培史。因其对环境的适应力强、生育期短、花大色泽鲜艳，是高海拔冷凉地区和彝族同胞的主要粮食作物、救灾填闲作物和乡村旅游观光作物。同时荞麦营养均衡，尤其富含芦丁等黄酮类生物活性物质，具有较高的保健价值。荞麦属目前已经报道有22个种，主要分布在我国四川、云南和西藏等西南地区，栽培种有3个，包括粮食作物的甜荞（Fagopyrum esculentum）和苦荞（F. tataricum）以及药饲两用的金荞（F. cymosum）。

针对我国荞麦属种质资源本底不明确、收集不系统、鉴定不深入、骨干亲本缺乏等主要问题，中国农科院作科所周美亮团队开展了较为全面的荞麦属调查搜集保护、系统分类和鉴定评价工作。基于丰富的种质资源，该团队揭示了荞麦的起源传播路径（Zhang et al., 2021, Genome Biology）和驯化机制（He et al., 2022, New Phytologits; Zhao et al.,2022, Plant Biotechnology Journal），对农艺、品质（Ding et al., 2021, Plant Biotechnology Journal; 2022, Plant Journal; Li et al., 2019, Plant Biotechnology Journal; 2021, Plant Physiology）、非生物和生物胁迫（He et al., 2023, Plant Cell）进行了鉴定评价，并培育中苦3号等多个荞麦新品种在生产上推广利用。然而，甜荞作为全球种植面积和消费量最高的栽培荞麦，其芦丁、槲皮素等物质含量远低于苦荞，且异型花柱自交不亲和性导致甜荞单产低于苦荞，这背后的遗传机制尚不清晰，限制了甜荞的现代育种进程。

近日，中国农科院作科所周美亮团队在Molecular Plant杂志在线发表了题为Comparative and population genomics of buckwheat species reveal key determinants of flavor and fertility的研究论文。该研究完成了等花柱自交亲和甜荞变种Homo（F. esculentum var. homotropicum (Ohnishi) Chen）的高质量参考基因组组装和代谢组分析，以及全球572份甜荞种质的全基因组重测序。比较基因组和代谢组研究表明，包括FhFARs在内的多个基因家族的扩增是甜荞比苦荞分布更广泛的重要原因，而类黄酮代谢相关基因（如UGTs、FLSs、RDEs等）的拷贝数变异造成了甜荞和苦荞在芦丁等黄酮物质含量上的差异。基于572份甜荞种质的基因组变异图谱，通过群体基因组学将甜荞种质资源可分为国内（group I）和国外（group II）2个类群，且这2个群体之间在环境适应性和花发育方面发生了显著的遗传分化。

通过对多年多点农艺性状和芦丁含量的全基因组关联分析，发现了多个调控荞麦花期、生育期和芦丁合成的候选基因在国内和国外类群的分化区间内，如Fh02G045060、Fh07G007150、Fh02G005940、Fh06G031660和Fh06G015130等。其中，Fh06G015130基因编码一个AT-hook转录因子，可通过直接调控芦丁合成通路中关键酶基因的表达来抑制芦丁的合成，该基因外显子上的1个SNP可将甜荞种质资源分为3种基因型，基因型G的芦丁含量显著高于基因型C和G/C。

此外，通过对花柱型态的关联分析，在Homo的2号染色体上发现了控制等花柱的关键位点Sh，而前期研究发现的控制短花柱的关键基因FeS-ELF3并没有出现在Sh位点中。令人意外的是，在4号染色体上定位了到Homo的FhS-ELF3基因，且该基因编码的蛋白序列发生了大片段缺失，因此，S-ELF3基因的易位和序列变异对甜荞花柱形态至关重要，可应用于荞麦花形态鉴定的分子标记开发。本项研究结果阐明了甜荞的物种形成、生态适应性、育性和独特风味的遗传基础，为未来基因组学辅助育种奠定了理论基础。

中国农业科学院作物科学研究所荞麦基因资源创新研究组副研究员张凯旋、助理研究员何毓琦、博士研究生卢翔、石亚亮和赵辉为论文的共同第一作者，周美亮研究员为论文的通讯作者。周美亮团队全体成员及国内外合作者对本研究做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、欧盟地平线2020项目、国家自然科学基金和中国农科院青年创新专项等项目资助。

据悉，因科研工作需要，周美亮团队长期招聘博士后，基于课题组最丰富的种质资源和基因组学-表型组学数据，从事荞麦基因资源工作。有意者请联系周老师，邮箱：

zhoumeiliang@caas.cn

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205223002484