Nature Genetics | 山东省农科院万书波团队联合构建花生图泛基因组，突破复杂结构变异解析难题，助力理想株型设计与高产育种

花生具有“地上开花、地下结果”等生物学特性，其产量形成与株型和群体结构密切相关。株高、分枝等重要株型性状，不仅影响单株产量，也决定了群体条件下对光、空间等资源的利用效率。如何通过协调单株生长与群体产量之间的矛盾，构建适配高产目标的群体结构、塑造适宜密植的理想株型，是限制花生产量进一步提高的瓶颈。随着花生生产向高密度种植、高产高效和全程机械化方向发展，如何协调单株生长与群体产量之间的关系、塑造适宜密植的理想株型，成为花生产量潜力进一步提升的瓶颈。

面向这一生产需求，山东省农业科学院万书波团队在长期开展花生高产栽培与生理生态研究的基础上，提出花生高产突破不仅依赖栽培调控，更需要花生品种自身具备高产理想株型特性，进而将高产实践中“调株型”的需求凝练为“育株型”的遗传改良目标。

9月15日，山东省农业科学院万书波团队联合河南省农业科学院、国际半干旱热带作物研究所、澳大利亚默多克大学等单位在国际权威学术期刊Nature Genetics发表题为Pan-genome Based Resequencing of 2,320 Accessions Reveals Structural Variations and Drives Breeding Advances in Cultivated Peanut的研究论文。研究构建了覆盖栽培花生全部6个植物学变种的图泛基因组，系统解析了全球花生种质资源的结构变异及同源染色体交换规律，挖掘了控制花生开花和矮秆等重要农艺性状的关键基因和优异单倍型，并创制出高产矮秆花生新种质，为花生重要功能基因挖掘和精准育种提供了重要基因组资源和技术支撑。

一、构建覆盖全部植物学变种的花生图泛基因组，解析全球种质结构变异与群体分化

研究团队首先基于401份花生种质的系统发育关系，筛选出覆盖栽培花生全部六个植物学变种的10份代表性材料，综合利用PacBio HiFi、Hi-C、ONT长读长和二代测序技术完成高质量基因组组装。新组装的10个基因组平均大小为2.61 Gb，contig N50达到70.87–140.38 Mb，BUSCO完整度平均达到99.27%。进一步整合4个已发表参考基因组后，研究团队构建了由14个高质量基因组组成的栽培花生泛基因组，为系统解析花生基因组多样性提供了基础。通过比较基因组学分析，研究团队共鉴定出126,758个结构变异，包括119,965个存在/缺失变异（PAV）、5,639个拷贝数变异（CNV）、614个倒位和540个易位，并进一步整合获得44,073个非冗余结构变异。其中，PAV约占全部结构变异的90%，约30%分布于基因区及其上下游区域，显示出结构变异在花生基因组多样性中的重要作用。

研究团队进一步对来自87个国家和地区的2,320份栽培花生种质开展全基因组重测序。该群体覆盖栽培花生全部六个植物学变种，并覆盖ICRISAT核心种质的88.03%和USDA核心种质的59.21%，构建了迄今最为全面的花生群体基因组资源之一。通过将重测序数据比对到图泛基因组，研究共鉴定约2,920万个SNP和InDel，为群体演化和重要性状遗传解析提供了高密度变异图谱。基于高质量SNP开展的系统发育和主成分分析，将2,320份材料划分为PA、HH、Vu和Fa四个主要遗传群体。其中，PA群体与其他三个群体具有较大的遗传分化，并表现出最高的核苷酸多样性。进一步的TreeMix和D-statistics分析揭示了Fa向PA以及PA和HH向Vu的定向基因交流，表明栽培花生群体在发生谱系分化后仍存在遗传物质交换。全基因组 fd 分析进一步发现，Fa向PA的两个主要信号峰位于A05，并与此前报道的多粒荚相关QTL区域重叠。在大规模群体遗传分析基础上，研究团队进一步聚焦栽培花生两个亚种—ssp. hypogaea 和 ssp. fastigiata。两个亚种在株型、开花和种子休眠等性状上存在明显差异。通过结合基于PAV的case-control GWAS和群体分化指数FST分析，研究团队最终筛选出312个高置信PAV，其中，133个PAV位于157个基因及其上下游区域。功能注释显示，这些基因主要涉及光周期、开花和种子休眠等过程，提示结构变异可能是驱动花生亚种形态分化的重要遗传基础。

图1 2320份全球花生种质遗传多样性分析

二、揭示同源交换在花生群体分化与演化中的作用

在完成大规模群体遗传分析后，研究团队进一步关注异源四倍体花生两个亚基因组之间的同源交换（homoeologous exchange，HE）。HE是多倍体基因组重要的结构重塑方式，可造成亚基因组间染色体片段的交换和替换，并由此改变局部基因组成和基因组结构。为系统解析HE在栽培花生中的分布特征及其演化作用，研究团队对586份高深度测序材料进行分析，在17,373对高可信同源基因中鉴定出3,352个HE相关基因。

研究发现，花生HE具有鲜明的方向不对称性。B亚基因组向A亚基因组的交换明显多于A向B的交换，两类交换事件分别为95和13个，累计交换长度分别为33.21 Mb和11.26 Mb；这一B-to-A偏向在除B05外的各染色体以及PA、HH、Fa和Vu四个主要遗传群体中均保持一致，表明亚基因组之间的交换并非随机发生，而具有稳定的方向性。进一步分析表明，HE变异呈现出与SNP遗传结构高度一致的群体分化格局。基于HE模式对586份材料进行聚类，其结果与SNP定义的四个遗传群体在超过90%的材料中保持一致。四个群体既共享大量HE，也分别保留了一定数量的群体特异HE；其中，共有HE主要集中在B05，而群体特异HE则在不同染色体上呈现不同的富集模式。这说明，HE不仅是多倍体基因组结构变化的重要来源，也与栽培花生不同群体的分化过程密切相关。

那么，这种方向性HE是在花生驯化和育种过程中形成的，还是更早就已经存在？为回答这一问题，研究团队进一步将栽培花生与其近缘野生四倍体Arachis monticola 进行比较。结果发现，在栽培花生四个群体共有的723个HE中，有540个（74.7%）同样存在于A. monticola；与此同时，B-to-A的交换偏向在A. monticola 中也可以观察到。据此推测，大量共有HE可能在多倍体形成早期便已产生并逐渐固定，亚基因组交换的不对称性可能是花生多倍体基因组的内在特征，而非完全由后期人工选择造成。另一方面，部分群体特异HE在不同育种类型中的频率发生了进一步变化：HH和Vu群体特异HE在改良品种中富集，而Fa群体特异HE频率下降，PA群体则相对稳定。这表明，在早期多倍体演化形成的HE背景之上，后续驯化和现代育种又进一步重塑了不同交换片段在栽培群体中的分布频率。

图2 栽培花生HE变异特征

三、突破复杂HE区域的定位障碍，解析理想株型关键基因

HE不仅参与了花生多倍体基因组的演化和群体分化，也给重要农艺性状的遗传解析带来了挑战。由于同源交换可引起同源片段替换、重复—缺失以及染色体结构重排，高度相似的亚基因组序列容易造成重测序reads错配或缺失，使传统依赖单一参考基因组的遗传定位受到干扰。研究团队因此进一步利用泛基因组框架，对两个与理想株型密切相关的性状——主茎开花和矮化——开展遗传解析。

1. 解析主茎开花调控基因 AhTFL1

主茎是否开花是决定花生株型和结荚方式的重要性状之一。 利用泛基因组开展SV-GWAS，研究团队在染色体12末端的HE区域检测到与主茎开花高度关联的信号，并鉴定到 AhTFL1 第四外显子中的一个1,489 bp缺失。独立的精细定位进一步将目标区间缩小至117.6 kb，其中包含 AhTFL1；结合已有遗传证据，研究结果进一步支持 AhTFL1 在花生主茎开花调控中的重要作用。

进一步研究发现，该缺失产生C端截短的AhTFL1蛋白AhTFL1(T)。转基因实验显示，全长AhTFL1延迟拟南芥开花，而AhTFL1(T)则促进开花。蛋白互作分析进一步表明，全长AhTFL1与AhFD互作，而截短后的AhTFL1(T)转而与AhNOT2a互作。这表明C端截短改变了AhTFL1的互作伙伴和功能，使其由开花抑制因子转变为开花促进因子，为理解花生主茎开花模式及株型形成提供了新的分子机制。

2. 复杂染色体易位揭示矮化候选基因

株高是构建紧凑株型和提高密植适应性的另一关键性状。 研究团队在矮秆种质Aisheng（AS）中发现，其茎长较野生型降低73.2%，而百荚重和百仁重等主要产量相关性状并未显著降低，显示出潜在的育种利用价值。然而，对AS开展遗传定位时，目标区域出现了异常重组。基因组比对和Hi-C分析揭示，AS染色体2和12之间存在一个约6 Mb的平衡互易易位，复杂的结构重排干扰了基于单一参考基因组的精细定位。进一步对2,320份种质的群体分析发现，该易位在Fa群体中高度富集：463份携带该易位的材料中有432份属于Fa，占全部Fa材料的89.44%，而在PA群体中未检测到，在HH和Vu群体中也极少出现。这一分布模式提示，该易位可能在Fa群体分化之前或早期形成，并在后续演化过程中逐渐升至高频，成为Fa群体的重要基因组特征之一。为解决这一问题，研究团队利用与AS具有相同易位结构的材料重新构建定位群体，最终将矮化基因位点缩小到约100 kb区间。该区间包含15个注释基因，其中 Ah12g032500 存在多个非同义变异。进一步筛查2,320份种质发现，另一份独立矮秆材料DL156中存在一个47.31 kb缺失，并直接破坏了 Ah12g032500；在野生型花生中利用VIGS沉默该基因，同样导致株高和节间长度下降。与此同时，AS中多种赤霉素含量降低，外源GA₃处理可部分恢复植株伸长。这些结果共同支持 Ah12g032500 是花生矮化的重要候选基因，并提示其可能通过影响赤霉素稳态参与株高调控。

图3 矮杆基因定位

四、聚合优异单倍型，创制高产矮杆新种质

研究团队进一步将泛基因组研究从遗传变异发现延伸到育种应用。基于555份花生种质的25个重要农艺性状，分别开展SNP-GWAS和SV-GWAS，共鉴定221个性状关联位点，并进一步筛选出157个具有潜在育种价值的优异单倍型。其中，83个优异单倍型来源于结构变异，说明结构变异在花生复杂性状改良中具有重要育种价值。在此基础上，以矮秆材料AS为遗传背景，选择与其具有相同染色体2/12平衡易位结构的高产品种Dabaisha作为育种亲本，将泛基因组识别的优异单倍型信息与标记辅助选择和表型选择相结合，逐代筛选并聚合与矮秆、早花、大粒、集中结荚和较高三粒荚比例等性状相关的有利遗传变异，最终创制出新种质 LuAi-1。这些结果表明，通过泛基因组挖掘并聚合有利遗传变异，可以将理想株型性状与高产潜力在同一遗传背景中协同改良。该研究将栽培实践中提出的理想株型需求进一步转化为遗传育种目标，并通过优异单倍型聚合实现了高产矮秆新种质的创制，为花生品种与栽培协同增产提供了新的思路。

图4 高产矮杆新种质培育

综上所述，该研究通过整合14个高质量花生基因组和2,320份全球种质资源，构建了大规模栽培花生图泛基因组，系统揭示了结构变异和同源交换在花生基因组演化与群体分化中的作用。更重要的是，研究利用泛基因组突破了复杂HE和染色体结构重排区域的遗传定位障碍，解析了茎开花以及矮杆相关的遗传机制，并进一步通过优异单倍型聚合创制了高产矮秆材料。该研究表明，对于花生等复杂多倍体作物，泛基因组的价值不仅在于更全面地描述遗传多样性，更在于能够将传统线性参考基因组中“看不见”或难以准确解析的结构变异转化为可利用的育种资源，为花生功能基因挖掘、种质资源精准利用以及泛基因组指导的现代育种提供了新的研究框架。

山东省农业科学院农作物种质资源研究所为该论文的第一单位，山东农业科学院万书波研究员、李国卫研究员、河南农科院张新友院士以及澳大利亚默多克大学Rajeev K. Varshney教授为该论文的通讯作者，山东农业科学院农作物种质资源所刘译阳副研究员、李威涛助理研究员、李荣冲及国际半干旱热带作物研究所（ICRISAT）的Manish K. Pandey研究员为文章共同第一作者。中国农业科学院作物研究所贺强研究员、广西农业科学院唐荣华研究员和贺梁琼研究员为本文做出了重要贡献。山东农业大学园艺科学与工程学院任仲海教授、东北师范大学宫磊教授、美国加州大学王天鹏博士为论文相关研究提供了重要指导。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、山东省人才工程项目、山东省重点研发计划以及山东省农业科学院创新工程项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-026-02765-x