NG项目文章|重磅！花生泛基因组破译”大籽粒”基因密码，提供花生高产育种新策略！

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2025年4月28日，河南农业大学殷冬梅教授团队联合国内外多家单位在国际著名期刊《Nature Genetics》上发表了题为“Pangenome analysis reveals structural variation associated with seed size and weight traits in peanut”的研究成果，该研究首次绘制了高质量花生泛基因组图谱，涵盖了2个二倍体野生种、2个四倍体野生种和4个四倍体栽培种。通过分析269份不同种子大小材料的重测序数据，鉴定出与种子性状相关的结构变异（SVs）。该研究为未来花生基因组学辅助改良育种提供了理论基础和新思路。希望组为本研究提供了基因组denovo测序和组装注释服务。

研究背景

花生（Arachis hypogaea L.）是重要的油料和食用豆类作物，栽培花生为异源四倍体，起源于二倍体野生种A. duranensis（AA）和A. ipaensis（BB）的杂交。在农业领域，其种子大小和重量是驯化和育种过程中的关键性状。尽管已有研究对花生相关基因进行了初步探索，但调控种子大小的分子机制仍不清楚，特别是花生基因组中针对结构变异（SVs）等的研究更为有限。此外，现有基因组存在大量空缺，且多倍体基因组的复杂性导致高质量基因组资源匮乏，深入挖掘基因组变异，获取覆盖不同花生种群的高质量基因组资源至关重要。因此，该研究通过开展泛基因组研究，整合多样个体的基因组数据，为理解物种的结构和功能多样性提供了全新视角。

结果与分析

01 269份种质的遗传多样性分析

为探究花生的遗传多样性及群体结构，该研究收集了269份花生种质（32份二倍体野生种、8份四倍体野生种、155份四倍体栽培地方品种、67份四倍体改良种质和7份未分类种质），覆盖广泛地理分布(图1)。通过将测序数据比对至参考基因组并进行变异检测，获得5,989,854个高质量SNPs。系统发育和主成分分析（PCA）显示，野生和栽培花生种质存在明显分化，在驯化过程中，花生种子大小和重量显著增加。此外，研究发现 A、B 亚基因组在遗传多样性和进化上存在差异，表明驯化过程中A、B亚基因组存在不对称性。ADMIXTURE群体结构分析显示，栽培花生可能直接起源于野生异源四倍体祖先（图1）。

图1 269个野生和栽培花生种质的遗传多样性

02 高质量泛基因组的构建

该研究选取8个具有不同荚果大小的代表性花生种质构建高质量泛基因组，包括2个已发表基因组和6个新测序基因组（1个AA二倍体野生种、2个AABB四倍体野生种、1个AABB四倍体地方品种和2个AABB四倍体改良种）。研究通过整合Nanopore超长、PacBio HiFi和Hi-C技术，采用NextDenovo和HiC-Pro方法对6个种质进行从头组装。新测序的 6 个品种基因组质量高，其连续性和完整性均优于已发表版本。

基于蛋白编码基因构建的花生泛基因组包含50,097个基因家族，其中核心基因家族功能富集于糖鞘脂合成和干细胞多能性调控通路，而私有基因家族富集于O-糖基化修饰通路。不同类型基因家族在染色体上的分布、基因长度、表达水平和功能富集等方面存在差异。此外，发现在超大型荚果品种ZP06的分布和私有基因家族中，NB-ARC结构域（与植物抗病相关）显著富集（图2）。

图2 花生的基因水平泛基因组分析

03 结构变异（SVs）对基因表达的影响

10-16%与基因区域重叠，15-30%位于基因上下游3,000 bp内，40-80% 与重复序列共定位，主要为长末端重复序列(LTR)。表达调控验证：在启动子和外显子区（而非下游区）的SV显著影响基因表达。该研究重点分析了具有最大荚果的表型极端材料ZP06，发现结构变异通过多种机制影响基因功能（图3），包括直接改变基因结构、调控表达水平等，进而参与产量和抗病性等重要农艺性状的形成。

图3 结构变异和基因表达分析

04 驯化过程中与形状相关基因的选择清除分析

为解析基因组变异如何影响驯化过程中的基因功能，研究团队通过野生种与地方品种间的全基因组选择清除分析，发现不同染色体区域承受的选择压力存在显著差异。在改良种选育过程中，B亚基因组受选择区域是A亚基因组的2倍 。另外研究鉴定出1,335个与驯化相关SVs，这些变异涉及329个功能基因。其中A、B 亚基因组中与驯化相关的基因在功能上存在差异。同时研究还鉴定出19个与果实大小或抗病性等性状相关的基因，例如，CRK26基因中629 bp的缺失在野生种中更常见；NTF6（调控果实大小）和FBRL2（抗病相关）组成的串联单元在不同花生品种中存在拷贝数变异（图4）。这些结果为进一步研究花生驯化提供了重要线索。

图4 花生驯化过程中的全基因组选择事件

05 CKX6基因结构变异种子膨大

研究团队鉴定出117个与种子重量相关的SVs，通过SV-GWAS分析，在chr.3上定位到一个极显著SV位点，位于AhCKX6 基因的 3′ – UTR 区域。该基因编码细胞分裂素氧化酶 / 脱氢酶（CKX），参与细胞分裂调控。研究发现在大籽粒种质的AhCKX6基因3′-UTR区存在两段特异性插入，而在所有的61份野生种均缺失该插入，基于此，研究提出3′-UTR区的插入通过以下途径调控种子发育：降低AhCKX6基因表达水平，减少细胞分裂素降解，促进其积累，增强早期细胞分裂活性，最终导致种子体积增大（图5）。

图5 CKX6基因结构变异调控种子发育的分子机制

06 AhARF2-2基因负调控种子大小的分子机制

作为影响谷物产量的关键农艺性状，种子大小的遗传调控机制备受关注。研究鉴定出73个与种子大小显著相关的SVs。其中AhARF2-2基因的外显子SV与种子长度和百粒重显著相关。在超大籽粒品种ZP06中，AhARF2-2基因在第12外显子存在275 bp缺失和7 bp插入，导致AUX/IAA结构域丢失，功能改变。基于此，研究团队提出了AhARF2-2调控花生籽粒大小的分子模型：AhARF2-2通过C端AUX/IAA域与AhIAA13相互作用，生长素信号触发AhARF2-2释放并招募TPL抑制AhGRF5表达，进而影响种子大小。然而，在大籽粒品种中，AhARF2-2无法正常与AhIAA13和TPL相互作用，导致对AhGRF5的抑制减弱，从而促进种子膨大（图6）。

图6 AhARF2-2负调控种子大小

总 结

本研究通过整合8个高质量基因组及269份不同种子大小的花生种质重测序数据，成功构建了全面的花生泛基因组，全面解析了花生基因组变异，为花生种子大小和重量等关键农艺性状的遗传机制研究提供了重要资源，为分子育种提供了新靶点。

河南农业大学殷冬梅教授、上海交通大学韦朝春教授和澳大利亚莫道克大学Rajeev K. Varshney院士为论文共同通讯作者，河南农业大学青年教师赵昆昆、上海交通大学青年教师薛泓嶂和山东省农业科学院李国卫研究员为论文共同第一作者，张新友院士和万书波研究员对该项研究工作给予了指导和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、河南省重点科技攻关等项目的资助。殷冬梅教授领衔的河南农业大学花生功能基因组及分子设计育种创新团队，依托于河南省花生基因组与分子育种工程技术研究中心，主要从事花生基因组与功能基因挖掘，致力于揭示花生产量、品质和抗病性状形成的机制与调控途径研究。围绕花生种业“卡脖子”等重要科学问题开展工作，已在NatureGenetics、Advanced Science、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、New Phytologist等国际著名期刊上发表了120余篇学术性文章，取得多项原创性研究成果。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41588-025-02170-w