专家点评 Science | 河北农业大学解析从“达尔文之谜”到“白菜王国诸侯并立”的基因组奥秘

2月26日，河北农业大学赵建军教授联合国内外多位专家在国际顶尖学术期刊

Science

Brassica rapa

白菜是中国第一大蔬菜作物，几千年间快速分化出众多亚种，包括叶用大白菜/小白菜/乌塌菜、薹用菜心、根用芜菁、油用白菜型油菜等，形态各异，却同属一个种，恰似一个“诸侯并立”的王国，堪称“作物界快速分化的范例”，也让白菜成为探究“达尔文之谜”的模式物种。本研究对1720份白菜进行重测序，筛选7个亚种11份代表性材料进行完整基因组组装，并识别出110个着丝粒，同时挖掘到5个与物种形成和分化密切相关的着丝粒特异卫星重复序列（satellites）；在此基础上，结合 31 份白菜基因组构建图泛基因组，系统解析了着丝粒重塑与大规模结构变异对白菜亚种快速分化的共同作用；并通过泛基因组关联分析与突变体功能验证，锁定控制叶球形成的关键基因BrLH1，将具体亚种的形成与泛遗传变异直接关联起来，为理解被子植物实现快速多样化提供了基因组学支撑。

1.构建“白菜王国诸侯并立”的基因组版图：T2T 0 gap基因组+泛基因组

对1720份不同亚种的白菜材料进行“人口普查”式的基因组重测序，精选7 个亚种的11 份“诸侯”代表材料，其不仅包括在不同季节、不同气候带表现稳定的骨干育种亲本，也包括在结球性、耐逆抗病和根部膨大等方面各具特色的地方优势种质，使这组材料覆盖了“白菜王国“的核心多样性，为后续构建泛基因组并解析亚种快速分化提供了高代表性的研究基础。

综合运用PacBio HiFi、Nanopore超长读长、Hi-C和MGI短读长等多种测序技术，成功组装出全部端粒并精准解析包含110 个（泛）着丝粒的（T2T）0 gap 基因组，不仅将B. rapa基因组从“框架草图”提升为高分辨率蓝本，也使前人无法精准解析到的着丝粒及周边区域首次被纳入系统研究范围。进一步结合已报道的20份白菜基因组数据，构建了目前最全面的白菜泛基因组，挖掘到6992个白菜新基因，从“基因”与“结构”两个层面共同扩展了对B. rapa基因组功能单元的认知。这一资源为在群体尺度上追踪着丝粒演化、结构变异积累以及关键性状产生提供了前所未有的解析能力，为深入理解白菜乃至芸薹属作物的遗传多样性与演化规律奠定了高质量基因组基础。

2.解析“白菜王国诸侯并立，并共同维护王国秩序”的核心枢纽：着丝粒+结构变异

着丝粒是一条染色体的“分配中枢”，掌管该染色体在细胞分裂时能否被准确、平均地分配到子细胞中。由于重复序列极其丰富、结构高度复杂，着丝粒区域长期被视为基因组中的“暗区”。研究团队通过制备白菜 CENH3 特异抗体并开展 ChIP-seq，在11份代表材料的每一条染色体上逐一“点亮”功能着丝粒，首次在B. rapa各亚种中完整绘制出 110 个（泛）着丝粒的结构图谱，挖掘出5种未知的白菜泛着丝粒特异satellites。大多数着丝粒在不同亚种基因组中的位置、大小和序列组成上都发生了明显重塑，仅部分染色体比如A10的着丝粒在不同亚种间高度保守，而这些保守着丝粒周边恰恰富集了调控植株生长和开花等重要性状的关键基因，仿佛在“诸侯”分立的格局背后，仍保留了一套共同维护“王国”秩序的核心枢纽。这些satellites从芸薹属其他物种（黑芥、甘蓝）到白菜各亚种中“从无到有、再到谱系特异化”的过程，为进一步推断禹氏三角中二倍体物种的演化路径提供了分子线索。

3.提出驱动白菜亚种“诸侯并立”“快速分化”的模型：“SV–亚种特异基因–着丝粒模块”三元协同演化

以图形泛基因组为框架系统梳理全基因组结构变异，构建了覆盖31份材料的结构变异（SV）图谱，共鉴定出超过27万条SVs。在这张“结构变异地图”中，重点解析了与不同形态类型紧密相关的功能SVs：例如，在A04染色体上发现的一个长度约8.6 kb的插入–缺失变异（PAV），携带调控叶片卷曲的关键因子RZ-1B，在结球与不结球材料之间表现出明显差异，表明其对大白菜叶球形成具有重要影响；在A09染色体上，一个长度约1.1 kb、编码LBD31的 PAV则与菜心无需春化快速开花密切关联。此外，研究还发现了一批与根部膨大、春化和开花时间等性状相关的候选 SV和基因，为解析芜菁膨大根等“特殊类型”性状的形成提供了遗传线索。在此基础上，提出了“SV–亚种特异基因–着丝粒模块”的三元协同演化模型：结构变异和亚种特异基因提供了不同“白菜王国诸侯”在形态上拉开差距的主要遗传基础，着丝粒的模块化重塑则在保证发育稳健性的同时，为基因组创新“腾挪空间”，三者共同推动 B. rapa 在有限时间内形成多样化亚种。综合来看，快速演化的着丝粒与广泛存在的结构变异相互作用，构成了驱动白菜亚种“诸侯并立”“快速分化”的基因组发动机。

4.明确白菜由不结球到结球的关键分子开关：关键基因BrLH1

利用 1720 份材料开展基于SNP、InDel和PAV的pan-GWAS，在A07染色体上精确锁定单拷贝基因 BrLH1为与叶球形成强关联的关键候选位点；进一步在 EMS 突变体库中鉴定的 BrLH1功能缺失突变体 fg7，表现为不结球且该基因发生提前终止突变，从遗传学上将BrLH1明确为控制大白菜叶球形成的主效基因之一。功能层面上，BrLH1属于多C2结构域跨膜蛋白家族，其作用模式与拟南芥同源基因QUIRKY类似，可通过与BrSUB等受体激酶互作调控叶片生长方向与空间排布，从而塑造叶球结构。BrLH1是否保持正常功能，在很大程度上决定了一株白菜能否拥有结球这一“诸侯身份”的核心特征。由此，BrLH1被确立为叶球形成的核心调控节点，也是未来开展结球分子设计育种的关键靶标。

从一棵平凡的白菜，到破解百年进化谜题的“密钥”，这项工作讲清了一个“白菜王国诸侯并立”的基因组故事。该研究从基因组、泛基因组和泛遗传学三个层面系统刻画了白菜亚种快速分化的遗传基础，把被子植物“快速扩张”的经典问题研究具体落实到一个肉眼可见的演化框架之中；通过构建完整着丝粒图谱，揭示了卫星重复、着丝粒动态与结构变异在芸薹属物种演化中的关键作用，加深了对芸薹属基因组起源与分化顺序的认识；同时，这一系列高质量图谱与分析体系，也为今后在芸薹属乃至更广泛十字花科作物中开展功能和演化研究提供了研究范例。

本研究获得了审稿人的一致高度评价。审稿人认为，该工作是Brassica基因组研究领域“一次里程碑式的飞跃（a monumental leap forward）”，构建的0 gap基因组与泛基因组资源“树立了群体基因组学研究的新标杆（sets a new standard for population-level genomics analyses）”，有望成为“芸薹属遗传学的里程碑工作（a milestone in Brassica genetics）”。同时审稿人也指出，这一研究“代表了巨大的工作量，将成为整个领域的重要资源（a tremendous amount of work and a major resource for the community）”，对植物基因组演化和作物表型多样性的理解具有广泛而深远的影响。

河北农业大学赵建军教授、马卫教授和洪益国教授，河南省农科院蔬菜研究所原玉香研究员，比利时根特大学Yves Van de Peer教授为论文的通讯作者。河北农业大学马卫教授、刘远铭副教授、张晓孟副教授，河南省农科院蔬菜研究所魏小春研究员，沈阳农业大学李晓楠教授，苏州农业科学院蔬菜研究所刘照坤副研究员，安徽农业大学袁凌云教授，广州市农业农村科学院李光光正高级工程师为该论文的共同第一作者。河北农业大学申书兴教授、浙江大学张天真教授、南通大学王凯教授、英国华威大学（University of Warwick）Robin Allaby教授在本研究中给予了重要指导，山东德高种业有限公司董事长栾兆水在本研究中给予了重要支持。研究得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金创新群体等项目的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady7590

专家点评

邹学校院士评述:

以白菜为代表的芸薹属物种，因谱系关系清晰、形态多样性极高，已成为解析十字花科基因组结构演化和性状形成机制的重要模型系统。然而，过去关于其物种和亚种在基因组结构层面的分化过程，多基于部分不完整参考基因组，难以还原整体而精细的演化图景。该研究以1720 份白菜种质的重测序和 11 套端粒到端粒（T2T）高质量基因组为基础，结合已报道20份白菜基因组数据系统构建了迄今最完整的白菜泛基因组图谱，解析了110个着丝粒区域及5类新的卫星重复序列，对结构变异和泛遗传多样性在不同亚种中的分布特征进行了全面且细致地刻画。这些结果为深入理解芸薹属基因组结构的形成与重塑提供了坚实的理论依据。挖掘出一大批与叶球形成、根部膨大、春化开花等关键农艺性状相关的结构变异，为今后开展分子设计育种和性状精准改良提供了精准的分子靶点。

喻景权院士评述:

被子植物为何能在相对短暂的地质时期内迅速扩散并占据优势，一直是备受关注的科学问题之一。以白菜（大白菜原产中国）为代表的芸薹属作物，在较短驯化历史中形成了表型变异极其丰富的亚种，为探讨这一问题提供了可能。该研究以高质量的0 gap基因组和着丝粒图谱为基础，全面且系统剖析了着丝粒卫星序列、结构变异以及关键基因与形态分化之间的内在关联，提出了亚种快速分化的基因组学演化基础。从进化生物学的角度看，这项工作不仅为理解被子植物多样化的复杂过程提供了一个极具代表性的研究示范，更充分彰显了现代基因组技术在助力破解“达尔文之谜”这一经典科学难题方面的巨大潜力。