背景介绍

甘蓝类植物作为经济重要的蔬菜作物，其具有多种形态，如花椰菜和卷心菜等。而遗传变异（特别是较大规模的结构变异）则是甘蓝类植物产生形态多样性的基础。以前对甘蓝类植物的全基因组变异分析主要集中在SNPs和较小的Indels上，而基因组SVs则很大程度上被忽视。因此，目前不同甘蓝类植物中SVs的影响作用仍有待进一步的研究。

研究结果

1.花椰菜和卷心菜基因组的从头组装

本文选择花椰菜自交系Korso_1401（Korso）和卷心菜OX-heart_923（OX-heart）进行基因组测序。经过Pacbio和Illumina校正组装以及HI-C数据辅助组装，最终得到的Korso和OX-heart的基因组Contig数分别为615个和973个，累积长度分别为549.7 Mb和565.4 Mb，N50大小分别为4.97Mb和3.10Mb。结果表明，Korso、OX-heart和HDEM（已有的西蓝花参考基因组的基因型）组装结果(Fig2)与Hi-C热图(Fig1)之间具有良好的一致性。此外，BUSCO结果表明，97.2%和96.5%的保守基因在Korso和OX-heart的基因组中组装完整。总而言之，这些结果证明了Korso和OX-heart基因组组装的质量较高。

Fig 1. Korso (a)和 OX-heart (b)基因组Hi-C相互作用热图。

Fig 2. 花椰菜Korso、卷心菜OX-heart和西蓝花HDEM伪染色体两两比较

2.基因组注释与比较基因组分析

注释结果表明，约60.7%的Korso和62.0%的OX-heart组装结果被注释为重复元件。随后，从Korso和OX-heart和B.rapa(V3.0)基因组中提取LTR-RTS，对这些LTR-RT插入时间的评估，揭示了Korso和OX-heart两个LTR-RT的爆发分别发生在大约20万年和150万年前。相反，在B. rapa中，大多数LRT-RT是最近形成的，超过30%的LTR-RT小于20万年，而在Korso和OX-heart中，这一比例分别为16.3%和15.9%。

对Korso、OX-heart、B. rapa 和A. thaliana基因组的共线性分析证实了芸苔属植物的全基因组三倍化事件(WGT)和随后的亚基因组分化事件。基于这些共线关系，作者确定了Korso和OX-heart基因组中的三倍体区域，并根据其保留的基因密度将它们划分为三个亚基因组(Fig3 a)。

随后，作者比较了四种甘蓝类植物Korso、OX-heart、HDEM、TO1000，三种其他的芸苔属植物B.rapa、B.ngra、B.napus，和五种十字花科植物Aethionema arabicum、Arabiopsis thaliana、Capsella Rubella、Thellungiella salsugina、Schrenkiella parual，以及Vitis vinifera、Carica papaya的蛋白质序列。利用1,638个单拷贝同源基因构建了系统发育树，结果表明卷心菜与花椰菜和西蓝花共同祖先的进化距离约为168万年，而芸薹属（Brassica）与其他十字花科植物的进化距离约为1618万年(Fig3 b)。

Fig3 a. 花椰菜和西蓝花的基因组特征.b. 14个植物的系统发育树及其估测的分化时间

3.Korso 和 OX-heart 基因组间的SVs

在本研究中，作者在Korso和OX-heart的基因组之间共鉴定出119,156个SVs。而基因和启动子区域中的SVs可以影响相应基因的功能或其表达。SV区域分别占Korso和OX-heart总基因组大小的14.5％和15.0％，占基因区的10.0％和11.3％，以及编码序列的5.9％和6.6％，表明在基因(特别是在编码区)中，某种机制限制了SVs的发生，而在启动子区域中没有发现SV受到明显限制。Korso（58.5％）和OX-heart（58.6％）中超过一半的注释基因在其基因或启动子区中，至少受到一种SV的影响，并在多种生物学过程中富集，包括对压力和刺激的反应，细胞分化，胚胎发育，基因表达和表观遗传调控，以及花与分生组织的发育等。

4. 不同形态甘蓝中SVs的种群动态

花椰菜和卷心菜是甘蓝属植物的两种极端形态类型，识别它们独特表型(如花序和叶状头)形成背后的基因组变异，将为了解这些重要性状的分子调控提供新的见解，并为促进育种提供重要信息。为此，作者对271个甘蓝类植物样本进行基因组重测序，并分别对Korso和OX-heart的SVs进行了基因分型。结果表明，在271个样本中，有89,882的SVs (75.4%)成功地进行了基因分型。含有纯合Korso等位基因的SV基因座在花椰菜样本中普遍存在，平均占每个样本的82.3％，在卷心菜中，纯合的OX-heart等位基因的平均频率为61.7％(Fig4 a)。使用SVs进行系统发育和主成分分析，将花椰菜，卷心菜，西兰花和结头菜的样本分为了不同的组(Fig4 b和Fig4 c)，这与之前的研究数据所揭示的结果一致，进一步说明了SV检测和基因分型结果非常可靠。

Fig4 不同甘蓝类植物的SVs

a. 不同基因型的SVs在不同甘蓝类植物样本中的百分比。
b. 基于SVs的甘蓝样本主成分分析。
c. 利用SVs对271个甘蓝样本进行最大似然树和基于模型的聚类

为了确定与花椰菜或卷心菜特定性状相关的SVs，作者提取了共49,904个SVs，它们在花椰菜和卷心菜的种群之间有着明显不同的等位基因频率（Fig5 a）。在这些SVs中，花椰菜中49,285(98.8%)个Korso基因型的等位基因频率显著高于卷心菜，而卷心菜中只有550个OX-heart基因型的等位基因频率高于花椰菜。这些结果与花椰菜和卷心菜之间相对较大的分歧时间(168万年)及其独立的进化史都相一致（Fig3 b）。

在Korso和OX-heart基因组中，分别有21,111和21,400个基因在其基因或启动子区中与至少一个相应的SV重叠，而在CDS区域中有6,059和6,344个与SV重叠。GO富集分析显示受到SV影响的相关基因在信号转导，刺激反应，细胞分化，细胞周期，胚胎发育，细胞生长和细胞死亡以及花发育相关的通路上富集（Fig5 b），表明花椰菜和卷心菜的不同表型存在着潜在关联。

Fig5 花椰菜和卷心菜的SV差异较大

5. SVs为花椰菜花球形成的进化提供了见解

文中作者检索了共294个基因，这些基因在其启动子或基因区域中受到SVs的影响，并且根据已有研究表明，其在拟南芥中的同源基因在开花时间、花的发育，分生组织的维持，器官大小控制以及花序结构中起作用。因此，可能表明SVs在花球形成和发育中起到潜在作用。

5.1 促进从营养发育向生殖发育的过渡

花球起始的第一阶段与从营养发育到生殖发育的转变相对应（Fig6 a）。花椰菜及时地进入生殖发育对于花球的形成是必不可少的，而对于卷心菜，需要较长时间的营养发育才能向生殖发育转变。多项研究证明了FLC旁系同源基因在不同甘蓝类植物开花时间中的作用。在Korso中，BoFLC1.1普遍存在于花椰菜中，而在卷心菜中非常少见（Fig6 b）。且BoFLC1.1以及BoFLC3在过渡阶段均被显著下调（Fig6 c）。Korso的等位基因BoFLC3基因在第一个内含子中发现两个SV，并且其在花椰菜和西兰花中也普遍存在，而在卷心菜中则很少见（Fig6 b）。FLC功能由FRI基因激活，在Korso和OX-heart基因组中都鉴定出两个FRI同源基因BoFRI1和BoFRI2，结果也表明花椰菜和卷心菜的基因型频率有显著差异（Fig6 b）。这些结果共同表明，FLC参与调节的相关途径可能受到花椰菜和卷心菜之间差异SV的影响，使得FLC基因促进开花的功能被激活，从而导致它们过渡到生殖阶段的时机不同。

Fig6 SV对花椰菜块状花序（花球）形成的贡献

a. 顶端分生组织（SAM）和花球在花球发展的不同阶段的示例图。
b. 花椰菜，西兰花和卷心菜中SVs与候选基因重叠的等位基因频率。
c. 花球发育不同阶段的候选基因表达的热图。
d. 花球形成和发育的调控网络。黄色标注的基因为花椰菜和卷心菜之间受SV影响的基因。

5.2 花序分生组织增殖

花球起始后的主要发育过程是花序分生组织的增殖。干细胞维持和分生组织扩散在这一过程中起着关键作用，而BoWUS2基因则可以维持顶端干细胞。在Korso的BoWUS2的第一个内含子中鉴定出两个SV。花椰菜和西蓝花中均具有两个SV的纯合Korso基因型，而卷心菜中的Korso等位基因则很少（Fig6 b）。BoWUS2的表达从营养形成到花球形成阶段显著上调，且在花球形成阶段的表达最高（Fig6 c）。而与BoWUS2一样，在花球形成阶段也观察到了发生SV的BoMP2和BoMP3的最高表达（Fig6 c）。由此表明这些已发现的SVs可以在花球形成中发挥潜在的作用。

5.3 花序维持和花停滞

花椰菜的花球由花序分生组织组成，而花序分生组织在发育到一定阶段时会被阻滞。相关结果表明，分生组织决定基因BoCAL、BoAGL14，负调控因子SVP，以及花椰菜的花球特异性BoCCE1基因中都鉴定出了SVs，且它们都能够在花序维持和花停滞过程中发挥作用，并具有阻止花序的形成和维持、使花停滞等功能，从而造成了花椰菜和卷心菜在花序的形成和维持方面的差异（Fig6 b,c）。

5.4 花序膨大和螺旋状生长

与细胞分裂、扩增以及细胞周期等相关的基因可以调节花球的重量。研究结果表明，可防止增殖停滞并促进器官生长的BoCYP78A5，促进花椰菜花球大小的BoARL2，以及促进花序分生组织外围区域的器官分化的BoDRNL1和促进花序螺旋排列的BoTUA2、BoTUA3基因，它们都在Korso的花球形成和膨大阶段表达最高（Fig6 c），并且检测到其SV普遍存在于花椰菜和西蓝花中，卷心菜中则十分少见。由此，推测这些SVs是造成花椰菜与卷心菜花球发育差异的主要影响因素。

总 结

本文作者展示了两种形态的甘蓝类植物（花椰菜和卷心菜）的高质量染色体规模的基因组组装结果，并通过比较确定了高置信度的结构变异。利用这些结构变异(SVs)对271个甘蓝样本进行种群分析，结果显著区分了不同的形态类型，因此表明SVs与甘蓝类植物的种群分化有关。此外，研究表明，在花椰菜和卷心菜之间受到SVs影响的基因，主要富集在胁迫和刺激反应、分生组织和花发育相关等功能上。本文进一步的研究还发现了受到SVs影响并参与从营养性生长向生殖性生长转换的基因。这些基因在花球的起始以及花序分生组织增殖对花球形成、维持和扩大等不同阶段都存在着潜在影响，为花球发育的调控网络提供了一定的见解。

原文链接：https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-01031-2#author-information

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