蔬菜花卉研究所钱伟团队联合英国爱丁堡大学破译菠菜野生种性染色体演化规律

       菠菜（Spinacia oleracea）及其两个野生种S. turkestanica，S. tetrandra均为雌雄异株植物，是探究性染色体进化的理想蔬菜作物。近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所钱伟团队联合英国爱丁堡大学在国际知名期刊New Phytologist上发表了题为“Genome sequence of the wild species, Spinacia tetrandra, including a phased sequence of the extensive sex-linked region, revealing partial degeneration in evolutionary strata with unusual properties”的研究论文，该研究解析了两个菠菜野生种的性别连锁区域，揭示了S. tetrandra野生种性染色体演化规律。

       团队前期研究解析了菠菜栽培种的性别决定区域，包括10 Mb的雄性特异区域（YDR）以及位于其两侧的14.1 Mb的大规模倒位。初步研究明确了栽培种与其野生近缘种S. turkestanica（分化时间大约为0.8百万年）具有相似的性别区域，而分化时间更远的野生种S. tetrandra（分化时间大约为6.3百万年）则具有完全不同的性别决定区域，且不含有YDR区域。基于此，提出两种假说，（1）转换假说；（2）快速退化假说。

图1 菠菜性染色体进化假说

       该研究发现S. tetrandra包含一个约133 Mb的性别连锁区域，远大于栽培种和S. turkestanica野生种（仅12%的染色体区域为性别连锁区域）。通过Illumina以及长读长测序技术，组装了S. tetrandra的X和Y染色体性别连锁区域，且发现性别连锁区域的形成经历过两次演化断层（Evolutionary strata）。然而，古老的演化断层（Stratum 1）在X和Y染色体具有较好的共线性，并且基因退化程度较低，仍保留部分祖先基因。年轻的演化断层（Stratum 2）位于着丝粒附近，虽然演化时间更短，却出现更严重的基因丢失和重复序列积累。这一现象可能暗示染色体区域固有特征（如重组频率）可能影响性染色体的退化。

图2 菠菜属物种性染色体共线性分析

       系统发育等分析支持性染色体转换（Turnover）模型，而非快速退化假设。具体的说，菠菜栽培种和S. turkestanica的性别连锁区域是起源于一次来自S. tetrandra野生种X染色体的转换，形成新的雄性决定位点；而S. tetrandra保留了更原始的性染色体状态，最终形成超大（～133 Mb）的性别连锁区域。

       综上，本研究通过多组学整合分析，破译了S. tetrandra的性别连锁区域及其演化规律，不仅深化了对植物性别进化机制的理解，也为解析菠菜性别决定机制奠定基础。

       中国农业科学院蔬菜花卉研究所折红兵研究员（所聘）、刘志远副研究员为本文的共同第一作者；中国农业科学院蔬菜花卉研究所钱伟研究员、程锋研究员、英国爱丁堡大学Deborah Charlesworth为本文的共同通讯作者。本研究得到了蔬菜生物育种全国重点实验室、基本科研业务费（IVF-BRF2023002）、中国农业科学院青年创新专项（Y2023QC07）、中国农业科学院科技创新工程项目（CAAS-ASTIP-IVFCAAS）以及现代农业产业技术体系项目（CARS-23-A-17）的资助。

论文链接: http://doi.org/10.1111/nph.70165