近日，中國農(nóng)科院蔬菜花卉所王立浩研究團隊和程鋒研究團隊在Molecular Plant （IF: 21.949）發(fā)表題為Pepper variome reveals the history and key loci associated with fruit domestication and diversification的合作研究成果。該研究對來自12個辣椒種的347份辣椒種質(zhì)資源開展重測序，構(gòu)建了一年生栽培辣椒種的全基因組變異圖譜，揭示了其馴化選擇和育種改良的歷程，同時鑒定了辣椒果實朝向、果形、辣味等重要性狀的遺傳調(diào)控位點及其群體選擇特征。研究成果極大地加深了我們對栽培辣椒的傳播和類型多樣化過程的認識，為辣椒品種的遺傳改良提供了有力支撐。
辣椒起源于中南美洲，在全世界范圍廣泛種植，我國辣椒播種面積和產(chǎn)值均居各類蔬菜首位，具有重要的產(chǎn)業(yè)價值。辣椒栽培品種類型極為豐富，但迄今為止辣椒的馴化選擇過程和特征、重要性狀的遺傳基礎(chǔ)尚不清楚。
該研究對347份搜集自全球各地的辣椒種質(zhì)資源進行重測序和變異分析，構(gòu)建了包含18,372,022個SNPs和802,875個InDels的辣椒變異組圖譜。以遺傳變異為基礎(chǔ)，結(jié)合地理來源、果實類型等特征，將一年生辣椒種群體分為了9個主要群組（圖1），分別為：1）野生/祖先群組，包括野生和較原始的材料；2）地方種群組；3）育種改良資源群組；4）和6）為燈籠椒群組；5）不同起源、果形多樣的育種品種群組；7）中國西北部和北部辣椒資源群組；8）中國中部辣椒資源群組；9）中國西南部云貴川藏等高海拔地區(qū)資源群組。
通過不同群組的變異和遺傳多樣性比較，從全基因組水平揭示了辣椒從野生/祖先種、地方品種到類型多樣化的現(xiàn)代栽培品種的馴化改良過程（圖1）。首次提出辣椒栽培群體的演化經(jīng)歷了兩步馴化過程：第1群組果實小，第一步馴化使辣椒果實變長、辣度增加，形成了以地方品種為主的第2組；第二步馴化使辣椒果實進一步變長和變大、果重增加，而辣度則顯著降低，形成了育種改良的第3組。辣椒的兩步馴化過程伴隨不同類型基因集受到強烈的馴化選擇。同時，研究揭示了第4和第6組燈籠椒的馴化歷史相對較短，首次發(fā)現(xiàn)了位于9號和11號染色體上的兩個野生基因組片段的關(guān)鍵滲入事件以及辣椒素調(diào)控基因Pun1的強烈選擇清除與大果燈籠椒（甜椒）的形成密切相關(guān)。特別地，研究還發(fā)現(xiàn)第9群組在中國辣椒類群中的遺傳多樣性最高，提示中國西南部可能是辣椒引入較早和來源豐富的地區(qū)，具有一定的次級起源或多樣化中心的特征。
圖1 辣椒群組劃分和兩步馴化改良過程
基于變異組數(shù)據(jù)，進一步開展了辣椒群體的GWAS分析，結(jié)合遺傳定位等研究，首次在植物中鑒定出并驗證了控制果實朝向的關(guān)鍵馴化基因Up。Up基因編碼一個與生長素運輸相關(guān)的蛋白，在其基因上游區(qū)域存在一個579 bp的結(jié)構(gòu)變異（SV，缺失）。通過轉(zhuǎn)錄組、VIGS等實驗發(fā)現(xiàn)該基因在不同果實朝向材料中的表達差異與其果實朝向完全關(guān)聯(lián)（圖2）。且發(fā)現(xiàn)該579 bp變異位于一個逆轉(zhuǎn)座子類型（LINE）的重復(fù)序列中，結(jié)合甲基化實驗數(shù)據(jù)推測其序列的有無影響了轉(zhuǎn)座子沉默抑制的甲基化強度，從而導(dǎo)致了Up基因的表達差異。除此之外，本研究還定位了辣椒果實重要性狀相關(guān)的多個基因位點，如調(diào)控果形的fsi、調(diào)控辣味的punv等。
圖2 決定辣椒果實朝向的Up基因
基于以上結(jié)果，該研究提出了辣椒重要性狀關(guān)鍵基因位點主導(dǎo)辣椒栽培種馴化、分化和類型多樣化過程的演化模型。針對果實朝向基因Up、果形調(diào)控基因fsi、辣味調(diào)控基因Pun1和punv等4個基因，以及2個野生漸滲片段的不同的組合馴化選擇，是形成大果燈籠椒甜椒和窄果（或長形）辣椒多樣化類型的關(guān)鍵遺傳基礎(chǔ)（圖3）。綜上，該研究構(gòu)建了辣椒栽培種群體的變異組數(shù)據(jù)集，揭示了辣椒果實馴化和多樣化過程中的基因組選擇特征和關(guān)鍵基因位點，對果形、辣度及果實朝向等重要性狀遺傳位點及其調(diào)控機制的解析為辣椒功能基因組學(xué)研究奠定了重要基礎(chǔ)，也為辣椒分子育種與遺傳改良提供了重要理論依據(jù)。
圖3 影響辣椒果實馴化和多樣化的關(guān)鍵事件
該研究以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所為第一完成單位，助理研究員曹亞從、張亢、于海龍、陳姝敏和徐東輝研究員為該論文第一作者，程鋒研究員、王立浩研究員和意大利國家新技術(shù)、能源和可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展中心Giovanni Giuliano教授為該論文共同通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國家自然科學(xué)基金等項目支持。
