基因组分析揭示番茄育种的历史
2014-05-25林涛祝光涛张俊红许向阳余庆辉郑铮张忠华伦尧尧李帅王孝宣黄泽军李君明张春芝王涛涛张余洋王傲雪张艳聪林魁李传友熊国胜2薛勇彪AndreaMazzucato0MathildeCausseZhangjunFei2JamesGiovannoni2RogerChetelatDaniZamir
林涛，祝光涛，张俊红，许向阳，余庆辉，郑铮，张忠华，伦尧尧，李帅，王孝宣，黄泽军，李君明，张春芝，王涛涛，张余洋，王傲雪，张艳聪，林魁，李传友，熊国胜2,，薛勇彪，Andrea Mazzucato0, Mathilde Causse, Zhangjun Fei2, James J. Giovannoni2, Roger T. Chetelat, Dani Zamir,
Thomas Städler15, 李景富4，叶志彪3，杜永臣1，黄三文1,2
1. 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业部园艺作物生物学与遗传改良重点实验室，北京 100081；
2. 中国农业科学院深圳农业基因组研究所，深圳 518120；
3. 华中农业大学，教育部园艺植物生物学重点实验室，武汉 430070；
4. 东北农业大学园艺学院，哈尔滨 150030；
5. 新疆农业科学院园艺所，乌鲁木齐 830091；
6. 北京师范大学生命科学学院，北京 100875；
7. 中国科学院遗传与发育研究所，植物基因组学国家重点实验室，北京 100049；
8. 中国科学院遗传与发育研究所，分子发育生物学重点实验室，北京 100049；
9. 中国科学院北京基因组研究所，北京 100101；
10. University of Tuscia, Viterbo 01100, Italy；
11. Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Cedex F-84143, France；
12. Cornell University, New York 14853, USA；
13. University of California, Davis, California 95616, USA；
14. The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot 76100, Israel；
15. Eidgenössische Technische Hochschule Zurich, Zurich CH-8092, Switzerland
基因组分析揭示番茄育种的历史
林涛1,2，祝光涛1，张俊红3，许向阳4，余庆辉5，郑铮1，张忠华1，伦尧尧1，李帅1，王孝宣1，黄泽军1，李君明1，张春芝1，王涛涛3，张余洋3，王傲雪4，张艳聪6，林魁6，李传友7，熊国胜2,7，薛勇彪8,9，Andrea Mazzucato10, Mathilde Causse11, Zhangjun Fei12, James J. Giovannoni12, Roger T. Chetelat13, Dani Zamir14,
Thomas Städler15, 李景富4，叶志彪3，杜永臣1，黄三文1,2
1. 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业部园艺作物生物学与遗传改良重点实验室，北京 100081；
2. 中国农业科学院深圳农业基因组研究所，深圳 518120；
3. 华中农业大学，教育部园艺植物生物学重点实验室，武汉 430070；
4. 东北农业大学园艺学院，哈尔滨 150030；
5. 新疆农业科学院园艺所，乌鲁木齐 830091；
6. 北京师范大学生命科学学院，北京 100875；
7. 中国科学院遗传与发育研究所，植物基因组学国家重点实验室，北京 100049；
8. 中国科学院遗传与发育研究所，分子发育生物学重点实验室，北京 100049；
9. 中国科学院北京基因组研究所，北京 100101；
10. University of Tuscia, Viterbo 01100, Italy；
11. Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Cedex F-84143, France；
12. Cornell University, New York 14853, USA；
13. University of California, Davis, California 95616, USA；
14. The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot 76100, Israel；
15. Eidgenössische Technische Hochschule Zurich, Zurich CH-8092, Switzerland
林涛(左)，博士研究生；祝光涛(右)，博士研究生。
番茄(Solanum lycopersicum)适应性广，产量高，营养丰富，风味独特，栽培方式多样，是世界范围内广泛种植的第一大蔬菜作物。2012年全球产量达到 1.62亿吨(联合国粮农组织(FAO)统计)，产值超过550亿美元。番茄也是植物遗传、发育和生理研究的重要模式系统。番茄起源于南美洲的安第斯山脉，随着人类迁移和驯化逐渐传到中美洲和墨西哥一代，16世纪传到欧洲，在随后的几百年中番茄被传播到世界各地，在这一过程中受到不同的人工选择，产生了丰富的变异类型。番茄果实大小的变化是驯化的一个重要特征，今天人们食用的大果栽培番茄是由野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium)驯化而来，野生番茄果实非常小，只有 1～2 g重，经过人工的长期驯化，现代栽培番茄的果重是其祖先的100多倍。然而，番茄果实变大的人工驯化过程一直未有全面的研究，人类选择如何改变番茄基因组仍是知之甚少。
中国农业科学院领导的国际团队构建了单核苷酸分辨率的番茄变异组图谱，重建了番茄驯化和育种的基因组历史，为番茄生物学研究提供了新的育种工具，也奠定了番茄全基因组设计育种的基础。该研究是继 2012年完成番茄全基因组序列图的绘制后取得的另一重大成果，对番茄基因组的变异展开了更为全面和深入的探索。最新研究成果以长篇幅Article的形式于2014年10月13日在线发表在权威学术期刊Nature Genetics(自然·遗传学)杂志上(DOI: 10.1038/ng.3117)。
中国农业科学院蔬菜花卉研究所黄三文课题组、杜永臣课题组，华中农业大学园艺林学学院叶志彪课题组，东北农业大学园艺学院李景富课题组以及国内外从事番茄研究的多个团队，利用 360份番茄种质的全基因组重测序，获得了1160多万个单核苷酸多态性位点(SNPs)和 130多万个插入和删除(InDels)，构建了番茄变异组图谱。利用全基因组变异组数据对番茄进行系统发生和群体结构分析，发现番茄群体分为3个亚群，即醋栗番茄、樱桃番茄(Solanum lycopersicum var cerasiforme)和大果栽培番茄。结合丰富的表型数据和群体遗传学分析，证明了野生醋栗番茄进化成为樱桃番茄，最终形成大果栽培番茄的两步人工选择过程，即驯化和改良(图1)。通过群体间核苷酸多样性比较，鉴定了186(64.6 Mb)个驯化阶段和 133(54.5 Mb)个改良阶段受选择的区域，结合控制果实重量的 QTLs分析，发现 5个驯化基因/QTL和13个改良基因/QTL受到了人类的定向选择。
番茄在世界各地广泛的种植，由于不同的消费习惯产生了不同类型的分化。该研究运用群体分化分析，首次发现5号染色体是鲜食番茄和加工番茄差异的主要基因组区域，此区域含有多个控制番茄可溶性固形物和果实硬度的QTLs，这些基因赋予了加工番茄显著的特征。粉果番茄是广受消费者所喜欢的鲜食番茄，本研究通过全基因组关联分析(GWAS)，鉴定了影响果皮颜色变化的关键变异位点，即SlMYB12基因启动子区域的603 bp缺失，进而抑制该基因的表达，从而使得成熟的粉果番茄果皮中不能积累类黄酮。这一发现为培育我国北方消费者偏好的粉果番茄品种提供了有效的分子育种工具。
由于栽培番茄遗传背景狭窄，在现代的番茄育种中，野生种质资源被广泛地应用，通过基因组比较分析，准确地界定了栽培番茄基因组中野生渐渗片段的位置和长度，为番茄杂交育种提供了重要的理论基础。通过对 360份番茄基因组分析发现，番茄的驯化和野生资源的利用共导致约 25%(200 Mb)的基因组区域几乎被固定，这严重限制了番茄的进一步改良。因此，通过变异组突破这些限制将是番茄育种改良的新途径。
图1 番茄果实变大的两个进化阶段从左到右分别为醋栗番茄、樱桃番茄和大果栽培型番茄。
林涛、祝光涛、张俊红、许向阳、余庆辉、郑铮为共同第一作者。
黄三文(E-mail: huangsanwen@caas.cn)、杜永臣(E-mail: duyongchen@caas.cn)、叶志彪(E-mail: zbye@mail.hzau.edu.cn)、李景富(E-mail: lijf_2005@126.com)为共同通讯作者。
