Nature Genetics | 中国农业科学院蔬菜花卉研究所张圣平团队利用黄瓜泛基因组图谱，破译适应性进化与性状演化的遗传密码

发布时间：2026-07-21 来源：葫芦科蔬菜遗传育种创新团队

近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张圣平研究员团队在《自然·遗传学（Nature Genetics）》上在线发表了题为“Pangenome-resolved structural variation drives adaptation and trait evolution in cucumber”的研究论文。该研究构建了迄今规模最大、质量最高的黄瓜染色体级泛基因组，系统揭示了结构变异在黄瓜地理适应与性状演化中的关键作用，并首次克隆了参考基因组中已“隐性丢失”的黑星病抗性基因CsCcu和受稀有变异调控的果长基因CsSPL1，为黄瓜分子设计育种提供了系统性的基因组工具箱。审稿专家高度评价“该研究提供了大量新的见解，并在通过泛基因组解析黄瓜重要农艺性状调控机制方面取得了突破性进展”。

黄瓜（Cucumis sativus L.）源自喜马拉雅山脉南麓，约3000年前由其野生祖先驯化而来，此后随人类活动逐步传播至全球，在不同气候与栽培条件下分化出形态多样的生态型，是全球种植最广泛的蔬菜作物之一。然而，黄瓜适应不同地理环境及重要农艺性状分化背后的遗传基础长期不甚清楚，限制了分子育种的进展。结构变异与基因拷贝数变异是基因组中广泛存在的重要遗传变异形式，在作物适应性进化与性状分化中发挥着不可忽视的作用，然而在黄瓜中相关研究报道较少；这类变异序列结构复杂、部分位点频率较低，单一参考基因组难以对其进行全面捕获与系统解析。因此，构建高质量泛基因组、系统解析结构变异与基因拷贝数变异的遗传效应，是揭示黄瓜适应性进化机制、突破分子育种瓶颈的迫切需求。

依托长期积累的种质资源和基因组学基础，该研究整合了全球422份黄瓜种质资源的基因组数据，构建了系统发育树，并从中选取125份代表性材料完成了染色体级基因组组装，其组装质量、序列连续性、着丝粒完整性等较以往的黄瓜基因组得到显著提升。共线性基因家族分析揭示黄瓜具有丰富的遗传多样性，基因家族数量直至种质规模增至约100份时才趋于饱和，高于水稻、番茄、甘蓝等作物。在此基础上，研究解析了基因单倍型在全球扩散过程中的演化动态，发现稀有单倍型数量逐渐增多，而单倍型多样性总体呈下降趋势，表明群体扩散伴随选择压力的持续作用；同时，采用Nei遗传多样性指数鉴定出一批在不同地理群体间单倍型频率显著分化的基因，其中近半数位于群体分化选择区间内，并挖掘到多个具有潜在育种利用价值的优异单倍型。

图1 黄瓜泛基因组构建及遗传多样性分析

基因拷贝数变异可通过改变基因剂量直接影响表达水平，在作物驯化与环境适应中发挥重要作用，但其序列结构复杂，往往难以借助二代测序数据准确鉴定。大规模、高质量基因组的组装可为系统解析黄瓜基因拷贝数变异创造条件。该研究鉴定出1,960个基因拷贝数变异（gCNV），发现这些变异并非随机分布，而是显著富集于重组热点区域，说明局部重组活性是其形成的重要驱动力。通过群体分化指数（V_ST）分析鉴定出一批高度分化、多与防御相关基因有关的gCNV，其中最具代表性的发现，是黄瓜成花素基因CsFT位点存在一个因序列高度相似、此前组装质量不足而长期未被解析的串联重复变异。研究证实，正是这一新发现的拷贝数变异才是真正驱动CsFT表达上调和早花表型的因果变异，为黄瓜向高纬度地区扩张提供了关键的遗传基础。

图2 基因拷贝数变异驱动黄瓜适应性进化

植物NLR类抗病基因是免疫系统识别病原的核心防线，但其在黄瓜中的群体多样性此前缺乏系统解析。该研究构建了黄瓜NLR泛基因集（PanNLRome），共鉴定出8,835个NLR基因，发现其群体多样性主要来源于单倍型间的等位变异，而非基因数量的扩张，说明单倍型变异是决定其抗病功能差异的重要因素。黄瓜黑星病抗性由单显性基因Ccu控制，在抗病育种中具有重要的应用价值。早在2010年，Ccu即被定位于2号染色体上，但其因果基因长期未能克隆。该研究通过常规GWAS分析将候选区间（0.62 Mb）同样定位于2号染色体，候选基因数量依然较多。为高效克隆Ccu，该研究基于PanNLRome创新性地开展单倍型GWAS分析，直接将其中一个TNL基因锁定为目的基因，并利用基因编辑技术验证了其抗病功能；单倍型解析进一步显示，仅Hap1表现为抗病，其余单倍型（包括参考基因组所携带的单倍型）均表现为感病。这一结果表明，泛基因组方法能够弥补单一参考基因组中可能存在的功能基因“隐性丢失”，为抗病基因的快速克隆提供了有效策略。

图3 黄瓜PanNLRome助力黑星病抗性基因CsCcu的快速克隆

该研究整合新组装的125份基因组与8份已发表基因组（共133份），开展了系统的结构变异检测，共鉴定出135,597个高可信度、非冗余结构变异，包括71,344个缺失、55,891个插入、550个倒位、3,411个重复及4,401个易位，PCR验证准确率达96.05%。大尺度倒位分析在新组装的野生种质“CG88”中发现了一种此前未见报道的核型，其仅在4号和7号染色体上各携带一个大片段倒位，且经Hi-C数据独立验证。群体SV-eQTL与选择分析进一步表明，结构变异对基因表达具有重要调控作用，并在黄瓜表型多样性的形成中发挥了直接作用。

为系统解析结构变异对黄瓜重要农艺性状的贡献，该研究针对38个农艺性状开展了大规模SNP-based与SV-based GWAS，结果显示超过六成的关联信号为SV-based GWAS所特有，无法通过传统SNP-based方法检测到。然而，对于果实长度这一影响产量的重要农艺性状，SV-based GWAS却未能检出任何关联信号。深入分析发现，稀有结构变异对果长遗传力的贡献高达约40%，而这些稀有变异大多为单一地理类群所特有，致使其在混合的全群体分析中检测效力被严重稀释。基于这一推断，该研究转而在各地理类群内部分别开展关联分析，成功检测到34个此前被掩盖的显著位点，其中欧亚类群中一个位于CsSPL1基因第一外显子内的稀有LTR插入最为突出。通过SV-GWAS、eQTL分析、转录组关联分析及CRISPR/Cas9基因编辑等多重独立证据，明确了CsSPL1是果长的正调控因子。进一步分析显示，CsSPL1的等位基因频率分化格局与黄瓜的驯化历史高度吻合——欧亚栽培种以短果等位基因为主，东亚栽培种则以长果等位基因为主，这一单倍型差异很可能反映了不同地区育种家/消费者长期形成的选择偏好。

图4 黄瓜亚群体SV-GWAS发现稀有SV通过调控CsSPL1表达影响果实长度

该研究构建了迄今规模最大、质量最高的黄瓜染色体级泛基因组，系统揭示了结构变异在黄瓜地理适应与重要农艺性状形成中的关键作用。研究中提出的分析策略与克隆的重要基因，不仅为解析黄瓜复杂性状的遗传基础、加速分子标记开发与设计育种提供了重要支撑，也为其他作物的泛基因组学研究提供了有益借鉴。

图5 黄瓜泛基因组研究助力分子设计育种

中国农业科学院蔬菜花卉研究所为该论文的第一单位，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张圣平研究员、董邵云副研究员、青岛农业大学园艺学院张忠华教授为该论文的通讯作者，中国农业科学院蔬菜花卉研究所官健涛副研究员、已毕业博士李祥升、苗晗研究员、严雪梅博士后为文章共同第一作者。中国农业科学院蔬菜花卉研究所顾兴芳研究员、中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员、中国农业科学院蔬菜花卉研究所刘小萍助理研究员、荷兰瓦格宁根大学Richard Visser教授和Yuling Bai教授为本文作出了重要贡献，美国威斯康星大学Yiqun Weng教授、中国农业科学院蔬菜花卉研究所程锋研究员和山东农业大学园艺科学与工程学院李宏博教授为本文作出了重要指导。

该研究得到了蔬菜生物育种全国重点实验室、国家重点研发计划项目、中国农业科学院青年创新项目以及国家现代农业产业技术体系项目的资助。

专家点评

钱前（中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任）

近些年国内外虽已有黄瓜泛基因组相关研究见诸报道，但相较以往仅侧重构建基因组变异图谱的研究，该成果构建了涵盖125份种质的染色体水平图形泛基因组，在泛基因组结构变异与作物性状调控之间的关联上取得了重要突破，挖掘出重要抗病和果长具有育种利用价值的功能基因，为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑，兼具重要基础科学价值与育种应用前景。

Rajeev K. Varshney（英国皇家学会院士，澳大利亚默多克大学农业与粮食安全国际讲席教授）

该研究通过将高质量泛基因组资源与群体规模分析及严格的功能验证相结合，为如何克服参考偏差、解析长期难以克隆的复杂位点提供了极具说服力的范例。其中，用于检测稀有变异的群体分层策略尤具价值，在其他众多作物的复杂性状遗传解析中具有广泛的适用性。这是黄瓜基因组学与精准育种领域的重大贡献，也是泛基因组学加速性状发掘与作物改良的优秀典范。