結構變異：甘藍進化的“分子加速器”

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結球甘藍、抱子甘藍、羽衣甘藍、球莖甘藍，加上芥藍、青花菜、花椰菜……這些看起來長得非常不一樣的蔬菜，都是甘藍。

甘藍群體具有豐富的形態多樣性。受訪者供圖

“甘藍類蔬菜作物表型變異極其豐富，是研究器官特異性馴化的良好系統。”中國科學院院士、中國農業科學院作物科學研究所研究員錢前說。

2月13日，《自然—遺傳》在線發表了中國農業科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種創新團隊和甘藍類蔬菜遺傳育種創新團隊，聯合荷蘭瓦赫寧根大學植物育種系生長與發育團隊完成的最新研究論文。該研究構建了包含所有變種類型的甘藍泛基因組，揭示了甘藍變種快速馴化的隱藏驅動力，獲得了一批重要性狀的關鍵基因。

錢前告訴《中國科學報》，這項研究回答了甘藍是如何在較短的時間內馴化出如此多樣的變種類型，揭示了結構變異（SV）調控基因表達是甘藍多樣性進化的“分子加速器”這一重要規律，為未來種質創制與育種策略的制定提供了新思路。 

多姿多彩的甘藍變種

甘藍在世界范圍內廣泛種植，是我國最重要的一大類蔬菜作物之一，種植面積和產量均排世界首位。它作為重要的“大宗蔬菜”，在我國蔬菜產業中具有極其重要的地位，是保障我國“菜籃子”穩定供給的主力軍。

論文共同通訊作者、中國農業科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）研究員程鋒告訴《中國科學報》，甘藍類蔬菜作物種類眾多，包括結球甘藍（俗稱大頭菜、圓白菜）、花椰菜（白花菜）、青花菜（西蘭花）、芥藍、苤藍（球莖甘藍）、羽衣甘藍、抱子甘藍等十余種變種類型。

甘藍類蔬菜的形態變化非常豐富多樣，食用器官也是多種多樣，比如結球甘藍多層葉片包裹形成的葉球，青花菜、花椰菜莖頂端分化形成的巨大花球，抱子甘藍腋芽分化形成的小葉球，苤藍莖基部膨大形成的肉質球莖，羽衣甘藍散生的葉片等。

甘藍變種除了形態多樣之外，代謝物、風味等營養品質性狀也豐富多樣。論文共同通訊作者、蔬菜所研究員張揚勇介紹，甘藍類蔬菜非常重要的特征是富含硫代葡萄糖苷（簡稱硫苷）。硫苷的一種水解產物“蘿卜硫素”是蔬菜中防癌、抗癌效果最好的天然活性物質之一。

觀賞羽衣甘藍。受訪者供圖

根據化學結構的不同，硫苷分為脂肪型、吲哚型，芳香型等不同的類型。“在甘藍類蔬菜中，不同硫苷的含量和比例各不相同。”張揚勇說，硫苷可以在甘藍類蔬菜被咀嚼或加熱時產生有辛辣味、苦味的化合物，因此不同的甘藍類蔬菜可能會產生不同的味道。這些化合物不僅給甘藍類蔬菜帶來特殊的風味，還具有豐富的營養價值和潛在的健康益處。

此外，甘藍類蔬菜富含維生素U，對保護胃黏膜、調節胃酸分泌有很好的幫助，被稱為天然胃菜；含有豐富的維生素C，有助于促進免疫系統健康；富含膳食纖維，有助于維持腸道健康，促進消化；含有豐富的維生素K，有助于維持骨骼健康和促進凝血過程；豐富的礦物質如鉀、鈣、鎂等，有助于維持神經肌肉功能和電解質平衡等；含有的維生素B12對于維持血紅細胞神經細胞的健康狀態和DNA合成起著至關重要的作用。

“盡管類型豐富多樣，其馴化歷史相對較短，僅有2500年左右，部分類型甘藍的馴化時間約500年。與其他作物相比，甘藍類蔬菜具有形態類型快速多樣化馴化的特征。”程鋒說，甘藍類蔬菜在較短的馴化過程中形成異常豐富表型變異的機制尚不清楚。因此，揭示甘藍類蔬菜快速馴化的驅動力，解析調控不同變種分化和特異性狀形成的遺傳機制是亟待解決的科學問題，對于甘藍類蔬菜的分子設計育種具有重要意義。 

甘藍變種形成：主要有兩條獨立進化路線

論文共同通訊作者、荷蘭瓦赫寧根大學副教授Guusje Bonnema介紹，他們首先利用700余份甘藍野生種和覆蓋所有變種材料的重測序數據構建系統發育樹。結果發現，甘藍變種主要起源于兩個獨立的馴化事件，一個馴化形成了以葉片/葉球形態多樣化為主的分支，另一個形成了以莖和花膨大等形態變異為主的分支。

據此，他們選取了22個代表性野生甘藍和變種材料，利用多項測序技術構建了染色體水平的高質量基因組，其序列連續性、著絲粒完整性等與已發表的甘藍基因組相比顯著提升。

基于22個新組裝基因組和5個已發表的三代基因組，該研究構建了包含多個野生種和所有變種的甘藍泛基因組圖譜。論文共同第一作者、蔬菜所博士生李幸介紹，比較甘藍變種之間的同源基因保留情況發現，不同變種特異的基因丟失或保留存在著顯著差異，且這些基因富集于特殊代謝物合成途徑等。

例如，在青花菜中的這些基因與硫酸鹽轉運、硫酯水解酶活性等代謝通路相關，而在苤藍中該類基因與α-葡萄糖、維他命B6合成相關。研究結果提示，這些在馴化過程中特異性丟失或保留的基因與甘藍蔬菜變種的營養成分、風味品質等差異性形成相關。

進一步比較27個甘藍基因組的序列差異發現，不同甘藍變種基因組之間存在大量的結構變異（SV），且大多數（73%）位于基因上下游區域，這些結構變異不影響基因本身的功能而被保留和積累下來。

研究發現約70%的基因表達變化與結構變異的狀態相關，結構變異序列既可以促進基因的表達，也可以抑制基因的表達，促進基因表達的結構變異序列中含有顯著多的轉錄因子結合位點，而抑制基因表達的結構變異序列具有顯著高的DNA甲基化修飾水平。

“結構變異與轉座子有關，轉座子是一類可以在基因組內復制自己和移動位置的DNA序列，轉座子在不同基因組內插入位置的差異就導致了SV的形成。”張揚勇說，甘藍基因組上發生了近期的轉座子大量激活擴增事件，其轉座子序列的比例和總量遠高于近緣物種白菜等。

隨后，他們在700多份甘藍群體材料中挖掘到一批在不同變種中受到特異性馴化選擇的結構變異及相關基因。

“這些基因表達劑量的改變產生一系列形態多樣性，其經過馴化選擇推動了甘藍變種類型的多樣化。這項研究率先揭示了基因表達劑量變化驅動蔬菜多樣性形成的馴化選擇新模式，是對基因丟失或功能變異等馴化作用對象的重要補充；同時凸顯了結構變異作為基因表達劑量調節因子在作物馴化和表型多樣化中的重要作用。”中國科學院院士、中國農科院深圳基因組研究所研究員黃三文說。 

為未來種質創制與育種提供新思路

目前，國產甘藍品種市場占有率已達85%左右，其中春甘藍是國內占主導品種，秋甘藍、越冬甘藍有一部分是國外品種。

中國工程院院士、蔬菜所研究員方智遠曾率領團隊在1973年育成我國第一個甘藍雜交品種“京豐一號”，之后陸續育成30多個甘藍品種，憑借四代“中甘”系列品種扭轉了過去依靠國外進口的被動局面，實現了從“洋白菜”到“圓白菜”的變遷。

2016年前，長江流域的越冬甘藍品種主要依賴進口，經過國內科研院所的聯合攻關，育成了中甘1305等國產化越冬甘藍新品種，逐步搶占了國外越冬甘藍的市場份額，實現了國外替代。

“這項最新研究不僅為農作物的應用基礎研究提出了新的方向，也為未來種質創制與育種策略的制訂提供了新思路。”程鋒說。

“以前我們的分子育種手段基本上是局限在對目的基因的選擇上，要么是有，要么是無，對目的基因表達量的精準調控是今后的發展趨勢。打個比方，以前我們唱歌，只會唱最高音和最低音，現在我們發現了結構變異這個‘調音器’，可以唱出多種多樣的音階、旋律、和聲。”程鋒解釋道，未來，可通過基因組設計和基因編輯等分子生物學手段，利用結構變異精細調控目標基因的表達，設計創造出更多變異豐富、形態多樣的新種質，為高品質甘藍品種培育提供理論支撐和科學依據。

程鋒表示，下一步將對結構變異影響基因表達變化的調控機制等問題開展深入研究；同時，將利用最新的分子生物學技術手段解析關鍵基因功能，開發新型分子標記，將該項研究獲得的結構變異和功能基因應用到甘藍類蔬菜的育種中，創制出更多優異的甘藍新種質，滿足人民對蔬菜高品質、多樣化的需求。

“這項工作構建了迄今為止規模最大、質量最高的甘藍泛基因組，是十字花科作物馴化研究的又一重大成果。研究成果可為其他作物的馴化研究等提供參考，也再次證明我國在十字花科基因組學領域處于國際領先地位。”黃三文說。