植物种子及其周围结构提供的营养维持了人类文明的延续与发展。植物种子胚胎是营养的储存器，展现出丰富的结构多样性，反映了植物在进化过程中对环境适应的独特策略。1946年，早期植物学家A. C. Martin根据种子胚胎大小和形态特征，将植物种子胚胎划分为10种类型 (Martin, 1946)，其中被子植物的胚胎通常表现为叶轴型（Foliate axile types, FA），包含了四种基本类型，即Spatulate（FA1）、Bent（FA2）、Folding（FA3）和Investing（FA4）。棉花（锦葵科植物）作为全球最重要的经济作物之一，具有复杂折叠的叶轴型胚胎，一般情况下，其子叶通过多层折叠完全包裹胚轴和胚根。与锦葵科近缘物种木槿相比，棉花显然经历了种子胚胎形态革新，从简单折叠胚（FA3）演变成复杂折叠胚类型（complex FA3），这种复杂折叠胚胎被认为是被子植物中发育最完全、最复杂胚胎类型（图1）。胚胎复杂折叠不仅能够保护胚根和胚轴，而且种子变大，能在有限种子空间内包裹最多的子叶从而提升储存营养资源的容量。同时，这一结构还与种子萌发、休眠及对环境的适应性密切相关 (Fryxell, 1978)。然而，棉花复杂折叠胚胎的发育过程及其背后的分子机制尚未被研究。

自朱玉贤院士团队与合作者在2012年首次公布雷蒙德氏棉基因组以来，棉花基因组学取得了一系列重要进展，推动了功能基因组学研究以及棉花复杂性状的解析 (Du et al., 2018; Huang et al., 2021; Huang et al., 2020; Wang et al., 2012)。然而，棉花基因组的准确与完整解析，尤其是复杂的转座子序列及其生物学功能，尚需深入研究与探讨。

图1 棉花通过种子胚胎形态革新产生复杂折叠胚胎

2024年8月15日，武汉大学/北京大学教授朱玉贤，北京大学博士后黄盖（现为中国科学院遗传与发育生物学研究所副研究员）为主要作者在国际知名期刊Nature Genetics发表题为A telomere-to-telomere cotton genome assembly reveals centromere evolution and a Mutator transposon-linked module regulating embryo development的研究论文。该研究通过解析首个端粒到端粒的雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii，四倍体棉的祖先种）基因组完整序列图谱，揭示了其独特的着丝粒结构类型及表观图谱。通过深入挖掘功能性转座子，发现由三个新分子（miR2947-DNA转座子MuTC01-加倍基因LEC2b）组成的三级小RNA调控机制，从而阐明了棉花复杂折叠胚胎形成的分子调控与演化机制 (Huang et al., 2024)。

图2 朱玉贤院士团队在棉花基因组和功能研究取得重要进展

该研究整合了最新的测序技术和算法（希望组为本研究提供了NGS、超长和HiFi测序。），成功获得了776 Mb首个二倍体棉花基因组完整序列图谱。与以往基因组版本相比，首个棉花基因组完整序列图谱具有高连续性和完整性，成功组装了着丝粒和端粒序列，并对转座子和基因进行了更精确和完整的注释，识别出53167个蛋白质编码基因，显著高于以往版本（37505–40976个基因）。此外，T2T基因组还修正了之前版本中的错误序列，主要是涉及着丝粒、端粒等复杂区域。通过深入解析着丝粒序列，发现了雷蒙德氏棉着丝粒独特的结构与组成（图3）。雷蒙德氏棉着丝粒主要由LTR类转座子构成，缺乏短着丝粒微卫星序列，展现出与其他植物显著不同的特征。此外，雷蒙德氏棉的着丝粒缺乏典型的核小体有相位的排布规律，这一差异主要源于其着丝粒的形成过程直接受到长末端重复逆转录转座子入侵的影响。

图3 雷蒙德氏棉基因组具有独特的着丝粒结构

基于基因组完整序列图谱，研究者对棉花转座子进行精准鉴定，得到了872549条非冗余转座子序列。棉花含有丰富的TIR类转座子，其中Mutator家族是最主要的TIR类型。转座子元件表达分析发现，只有约2%的序列编码了具有转录活性的转座子，而在棉花胚胎发育晚期有88个转座子在子叶阶段表现出组织特异性表达特性（图4）。这些具有组织特异活性转座子中，仅DNA MuDR转座子（命名为MuTC01）能够产生最丰富的正负链小RNA，是反式作用siRNA产生位点。分析发现，MuTC01起源于DNA转座子Mutator家族，在全基因组中具有34个同源拷贝，只有MuTC01能产生高丰度的siRNA，预示MuTC01可能通过siRNA在棉花胚胎发育过程中发挥作用。

图4 转座子功能分析揭示了胚珠特异表达并产生siRNA的MuTC01转座子

通过靶向预测以及降解组分析，他们发现MuTC01受棉花特异的miR2947靶向切割产生有相位的siRNA（图5）。进一步通过CRISPR–Cas9基因编辑技术，对棉花的miR2947和MuTC01进行基因突变实验。电镜观察成熟胚胎形态显示，突变体mir2947和mutc01都表现出胚胎发育异常表型，子叶没有被完整包裹和折叠。

图5 miR2947靶向MuTC01产生小RNA调控棉花胚胎折叠

通过对棉花胚胎发育轨迹进行切片观察（图6），显示棉花突变体 mutc01和mir2947均会导致胚胎折叠异常的表型，特别是在胚胎发育后期（开花后23天以后）变得尤为明显。这些结果表明 miR2947–MuTC01调控模块在棉花胚胎发育中起到关键调控作用，突变体胚胎形态与近缘种木槿相似，表明miR2947–MuTC01 调控模块很可能是棉花胚胎复杂折叠类型形成的关键因素。

图6 棉花突变体胚胎发育轨迹切片观察

为进一步探究miR2947–MuTC01调控模块下游的靶标，他们结合靶位点分析、转录分析以及切割位点验证等实验，确定MuTC01产生的22-nt siRNA（命名为siRNA_22nt）能够靶向棉花LEC2b基因（图7）。系统演化分析发现，LEC2基因起源于棉属全基因组加倍事件，在棉花中有两个拷贝，分别命名为LEC2a和LEC2b。与拟南芥、可可同源的拷贝为LEC2a，棉花独特的基因为LEC2b。LEC2a和LEC2b在第一个外显子区域存在553 bp的变异区域，使得MuTC01能靶向LEC2b产生21-nt有相位的siRNA，而不能靶向LEC2a。两个同源基因独特的序列和调控演化暗示LEC2a和LEC2b存在功能分化。

图7 由miR2947-MuTC01-LEC2b组成的三分子模块调控棉花胚胎折叠

作者进一步利用基因编辑实验创造了三个棉花突变体（图7），包括：在LEC2b的第一个外显子区域设计两个sgRNA，编辑siRNA_22nt 靶向LEC2b的区域，获得棉花突变体lec2b-2；在LEC2b外显子设计四个sgRNA，编辑LEC2b蛋白质编码区，而不编辑siRNA_22nt靶向区域，获得棉花突变体lec2b-1；在LEC2a设计两个sgRNA，编辑LEC2a蛋白质编码区，获得棉花突变体lec2a。他们通过棉花胚胎的发育轨迹进行切片观察，发现棉花突变体lec2a和lec2b-1在棉花胚胎发育过程中无明显的发育异常表型，而lec2b-2突变体子叶不能正确包裹胚胎，类似于mutc01和mir2947等棉花突变体，且在胚胎发育后期（开花后23天以后）变得尤为明显。

作者进一步检测五个棉花突变体（mir2947, mutc01, lec2a, lec2b-1, lec2b-2）在LEC2b基因位点的siRNA表达水平（图7）。数据表明，在mir2947, mutc01，lec2b-2棉花突变体背景下，LEC2b基因位点有相位的siRNA消失，而在lec2a和lec2b-1突变体背景下，不影响LEC2b基因位点的siRNA的产生。这个siRNA分布情况与突变体的表型完全一致。这些数据表明，miR2947–MuTC01–LEC2b三分子模块是通过LEC2b产生三级siRNA控制棉花胚胎复杂折叠，而不是通过影响LEC2b蛋白质功能而发挥作用。

作者进一步探究miR2947–MuTC01–LEC2b三分子模块的起源与演化（图8），结果表明该三分子模块同时存在于具有复杂折叠胚胎类型的整个棉族（包括棉属在内的100多个种），显著不同于其近缘物种木槿族所具有的简单折叠胚胎类型。因此，作者提出了三级小RNA调控棉族独特胚胎类型的分子和演化机制，即棉族特异的MIR2947产生第一级22-nt的miR2947，直接靶向DNA转座子MuTC01，产生第二级小RNA，再靶向全基因组加倍产生的LEC2b基因，产生第三级小RNA，从而调控棉族复杂折叠胚胎形成（图8）。这项研究系首次在植物界发现具有功能的三级小RNA调控机制，也是首次从发育角度阐释棉族复杂胚胎折叠过程以及背后的分子与演化机制。

图8 棉族复杂折叠胚胎形成的分子和演化机制

中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）联合崖州湾国家实验室、沈阳农业大学等单位在《国家科学评论（National Science Review）》（IF=20.6）上在线发表了题为“A pan-TE map highlights transposable elements underlying domestication and agronomic traits in Asian rice”的研究论文。研究基于全球野生稻和栽培稻核心种质资源，构建了群体水平、最全面和高精度的水稻泛转座子变异图谱，全面评估了转座子对水稻驯化和育种改良中的重要作用，挖掘到多个与重要农艺性状相关的优异自然变异位点，丰富了水稻育种的可用变异库，对水稻全基因组设计育种及遗传育种改良提供了重要资源。希望组为本研究提供三代测序服务。

1950年Barbara Mclintock首次在玉米中发现转座子（Transposable element，TE），并由此获得诺贝尔奖（Mclintock，Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology，1951）。长期以来，TE本身被认为是垃圾DNA，但现在它们被认为是一类DNA中不同寻常的高度重复片段，不仅在生物体内甚至生物体之间具有惊人的移动能力，也能影响基因、创造新性状、增加不同个体的独特性，更会在压力条件下被激活，并帮助生物体适应复杂多变的自然环境。大量文献表明，基因组结构变异在调控水稻农艺性状具有重要作用，而水稻基因组中的结构变异大多源自于TE。TE主要包含non-LTR（Long Terminal Repeat, SINE和LINE）型逆转座子、LTR型逆转座子（Copia、Gypsy等）、TIR（Terminal Inverted Repeat）型DNA转座子（Stowaway MITE、Tourist MITE、DTC、DTA、DTT、DTM、DTH等）和Helitron型DNA转座子（Wicker et al., Nature Reviews Genetics, 2007）。高度重复的TE序列为其本身的充分注释和精确鉴定带来了挑战，极大地阻碍了TE变异对作物驯化和农艺性状的深度系统解析。得益于测序技术的进步，有机会从群体的层面上全面地研究转座子的分布特征，并揭示转座子在水稻驯化和育种中的作用。

为了获得高质量的泛TE变异图谱，本研究利用247份全球水稻核心种质资源高质量基因组，构建了大规模群体的亚洲稻泛TE变异图谱（图1），包含169,798个（647.9 Mb）衍生的TE变异，其中占比最多的是Gypsy、Helitron和Copia家族，也是迄今为止质量最高的水稻群体水平泛TE变异图谱。

图1. 泛TE变异图谱构建

利用该泛TE变异图谱，研究人员比较了普通野生稻与籼稻、普通野生稻与粳稻、籼稻和粳稻之间的TE变异，发现TE变异显著富集在驯化和分化的选择性区域内，表明TE参与了水稻驯化和分化。进一步分析，发现在水稻驯化分化过程中，不同的TE家族富集也具有特异性，例如几乎所有的LTR、MITE和Helitron都显著富集在驯化和分化过程中，而SINE和LINE家族仅显著富集在从普通野生稻到粳稻的驯化过程中（图2）。同时，研究人员也鉴定到参与水稻驯化和分化过程的TE变异分别有3,935和2,108个，并受到这些TE变异影响的候选基因分别有2,992和1,750个（图2），包括重要抽穗基因RFT1等、分蘖基因RFL、D10等、以及粒型基因GW2、DAO、LG1等。例如一个Tourist MITE插入到耐冷基因LIP19的启动子区，显著影响了该基因的表达水平，功能分析和单倍型分析表明，该Tourist MITE通过影响LIP19的表达量而调控水稻的耐冷表型。

图2. TE变异在水稻驯化和分化中的重要作用

另外，基于该泛TE变异图谱，研究人员发现TE与邻近的SNPs/InDels存在完全连锁的比例较低，揭示TE变异可以作为补充提升挖掘基因的潜力。结合全基因组关联分析和群体表达数量性状位点（expression quantitative trait loci，eQTL）分析，研究人员鉴定到多个与水稻农艺性状显著相关的TE变异新位点，而这些新位点无法利用SNP数据鉴定，例如Gypsy插入显著影响耐冷下水稻的结实率（图3）。同时，研究人员利用SNP和TE的cis-eQTL分析鉴定到TE变异调控的基因3,868个，其中TE比起SNP标记特有调控的基因1,246个（图3），例如发现一个PILE TIR插入基因OsRbohB的启动子区，显著影响了该基因的表达水平，进一步显著影响了水稻的千粒重，这些结果得到了实验的验证。这些新的TE变异位点有助于挖掘更多与重要农艺性状相关的优异基因，为水稻基因组辅助育种提供了新靶点。

图3 TE变异影响水稻基因表达和农艺性状

中国农业科学院深圳农业基因组研究所商连光研究员、崖州湾国家实验室钱前院士和基因组所周永锋研究员为论文的共同通讯作者。基因组所在读博士生李笑霞、在读博士生戴小凡、副研究员贺慧英、在读博士生吕阳和在读硕士生杨龙波为论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金基础科学中心、广东省自然科学基金杰出青年基金、中国农业科学院科技创新工程科学中心和中国农科院青年创新专项资金资助。该工作得到了基因组所、中国水稻所和崖州湾科技城超级计算平台的支持。

2024年6月13日，中国农业大学植物保护学院昆虫学系彩万志/田里团队在《科学进展》（Science Advances）以封面文章的形式在线发表了题为Does coevolution in refugia drive mimicry in bumble bees? Insights from a South Asian mimicry group的研究论文。该研究以我国本土分布的两种拟态熊蜂为模型，探究了缪氏拟态的演化历史，揭示了熊蜂缪氏拟态色的多态性与趋同进化的可能驱动因素。希望组为本研究提供了hifi和hic测序服务。

缪氏拟态是指两种或多种有毒的生物，通过互相模仿相似的警戒信号，以降低被捕食概率的互惠的拟态现象。这一现象广泛存在于两栖动物、鱼类、昆虫等诸多生物类群中。参与缪氏拟态形成的生物多具有鲜艳的警戒色，亲缘关系较远的物种间常常平行演化出相似的警戒信号并在一定区域内形成“拟态圈”。缪氏拟态是生物适应性演化的典型案例，自1879年首次被德国生物学家Fritz Müller提出后，缪氏拟态的演化历史和形成机制便成为了进化生物学领域长期以来的热点问题。由冰期避难所促进的共同多样化假说和不对称趋同进化假说是缪氏拟态形成的两大主流观点。此前人们对于昆虫缪氏拟态的研究主要集中在分布于南美洲的袖蝶（Heliconius spp.）中。而对于南美洲以外地区及其它昆虫类群的研究则相对有限。

图1 短头熊蜂-三条熊蜂拟态色型多样性及分布格局

熊蜂Bombus spp.属于膜翅目Hymenoptera，蜜蜂科Apidae，全球已记载约260种，是野生植物与温室作物的重要传粉昆虫。雌性熊蜂因尾部具有蛰针而能对抗捕食者。此外，熊蜂体表被不同颜色的体毛覆盖，呈现出鲜艳且反差强烈的体色模式（color pattern），具有警戒、拟态等功能。熊蜂是典型的缪氏拟态类群，其在世界范围内共形成了24个拟态环，是除袖蝶之外开展缪氏拟态演化历史及其形成机制研究的良好类群。该研究聚焦于我国本土分布的两种拟态熊蜂类群：短头熊蜂（Bombus breviceps Smith）和三条熊蜂物种复合体（Bombus trifasciatus species complex）（图1）。这两个类群广泛分布于喜马拉雅山脉、东南亚及我国南方。它们的分布区高度重合，且警戒体色模式高度趋同，并在不同的地区以不同的体色模式相互拟态，目前已记录有14种拟态色型，组成了熊蜂中体色多态性最为复杂的拟态系统。

作者首先组装了三条熊蜂染色体水平的参考基因组。进一步通过对这两个类群全球分布地区的样品收集，获得了代表其主要地理色型的标本样品，并对这些样品开展了基因组重测序，基于全基因组单核苷酸多态性位点（single nucleotide polymorphism, SNP）信息解析了这两种熊蜂的种群遗传结构。结果发现，短头熊蜂可被划分为六个主要的遗传谱系（图2）而三条熊蜂可被划分为七个主要的遗传谱系（图3）。有趣的是，这两个类群的体色模式的变化与其群体遗传结构并不完全吻合，比如，分配到同一个遗传谱系的个体可以展现出截然不同的体色模型，而被分配到不同遗传谱系的个体也可以具有相同的体色模式。这一结果暗示这些熊蜂体色的演化历史与其群体分化历史并不吻合，体色的地理分化并不是完全由不同地理种群间的基因交流屏障所驱动。

图2 短头熊蜂的群体遗传结构及体色模式变异

图3 三条熊蜂物种复合体的群体遗传结构及体色模式变异

进一步对两个类群的群体历史研究发现，两个物种均在更新世时期表现出一定程度种群收缩，但种群的波动与冰期-间冰期的气候波动不完全匹配（图4 & 5）。而基于MaxEnt预测的历史适生区发现两个类群在更新世冰期并没有呈现明显的适生区收缩，也没有呈现明显的避难所。这些结果暗示更新世冰期的气候变化并不是驱动这些熊蜂类群群体分化的主要因素。

图4 短头熊蜂的群体演化历史

图5 三条熊蜂群体演化历史推断

进一步对比短头熊蜂和三条熊蜂的谱系地理模式和群体历史（图6），发现这两个拟态类群之间具有不完全匹配的群体分化顺序，而在近20万年的演化历史中，三条熊蜂总具有相对更大的有效群体。因此，尽管这两个拟态类群的分布区高度重叠，并在表型水平呈现出高度趋同的体色地理变异，基因组数据却揭示它们具有截然不同的群体演化历史。总体来讲，本研究提供的证据说明冰期避难所并不是驱动这两种拟态熊蜂群体分化与拟态体色进化的唯一因素，不同地区的捕食者与气候带来的强烈的本地选择以及熊蜂相对较弱的扩散能力可能与冰期气候变化共同作用，驱动了这些熊蜂的群体分化与缪氏拟态多态性的演化。

中国农业大学为该论文的第一完成单位。中国农业大学植物保护学院博士研究生崔纪翔为该论文的第一作者，田里副教授为该论文的通讯作者。中国农业大学植物保护学院的彩万志教授、李虎教授，美国宾夕法尼亚州立大学生物系的Heather Hines博士，中国科学院动物研究所的刘山林研究员，西藏自治区高原生物研究所和墨脱生物多样性西藏自治区野外科学观测站的达娃副研究员，英国自然历史博物馆的Paul Williams博士为本研究做出了重要贡献。中国农业大学植物保护学院已毕业硕士生陈宇鑫、王超，在读博士生马玲、杨万虎也参与了此项工作。

近日，中国农业科学院作物科学研究所野生稻种质资源保护与利用课题组杨庆文研究员、乔卫华研究员与北京大学现代农业研究院何航研究员课题组合作，在国际权威期刊《Nature Communications（影响因子16.6，中科院一区Top）发表了题为 “Haplotype-resolved gapless genome assembly and chromosome segment substitution lines facilitated gene identification in wild rice” 的研究论文。该研究首次组装了中国普通野生稻的无间隙染色体基因组，构建了两套覆盖野生稻全基因组的染色体片段置换系，建立了一个能够高通量鉴定发掘野生稻优异基因的平台。通过大量的QTL定位，设计案例，验证了该平台用于发掘野生稻基因的高效性，同时鉴定来自野生稻的耐盐与抗稻瘟病基因。希望组为本研究提供了Bionano测序服务。

栽培稻从二倍体普通野生稻（Oryza rufipogon Griff.）中驯化是人类农业史上最重要的事件之一。普通野生稻蕴含着大量栽培稻驯化过程中丢失或者削弱了的优异基因，是国家二级保护植物，被誉为“植物大熊猫”。但野生稻异质性强，在育种中难以直接利用，杂合度高导致基因组组装困难，且大量的优异抗性基因与不利性状连锁。基于以上原因，建立一个可用于野生稻基因发掘的高效平台十分必要。

中国农业科学院作物科学研究所已毕业博士研究生黄婧芬和北京大学现代农学院博士生张宜林为该论文共同第一作者。北京大学现代农业研究院何航研究员，中国农业科学院作物科学研究所杨庆文研究员和乔卫华研究员为该论文的共同通讯作者。海南农科院三亚南繁研究院的李亚鹏博士，崖州湾实验室的钱前院士参与了本项研究。该研究得到了国家重点研发计划（2021YFD1200100）和崖州湾实验室揭榜挂帅项目 (project of B21HJ0215)的经费支持。