烟草所揭示栽培烟草基因组演化和复杂性状调控奥秘开启异源多倍体作物智慧育种新篇章
栽培烟草（Nicotiana tabacum）是由林烟草（N. Sylvestris，S亚基因组）和绒毛状烟草（N. Tomentosiformis，T亚基因组）在约20万年前杂交形成的异源四倍体。历经茄科的三倍化事件和该异源四倍化事件，栽培烟草基因组经历了多次扩张、几乎所有基因都有2-6个拷贝。独特的演化历史造就了栽培烟草丰富的次生代谢产物、表型多样性和庞大的生物量，使其成为了遗传学研究的经典模式植物、合成生物学的重要底盘植物和全球重要的经济作物。然而林烟草和绒毛烟草分化时间较短、染色体序列相似度很高，多倍体形成后同源染色体是如何准确联会确保减数分裂的顺利进行的？同一基因的多个拷贝的剂量效应是如何调节的？它们又是如何协同调控复杂性状变异的？在多倍体作物遗传改良中如何应对和利用多拷贝基因带来的性状遗传调控复杂性，实现多倍体作物高效快速改良？这一系列科学问题长期困扰着植物学、数量遗传学和作物遗传育种等多个领域，已经连续多年成为了几个领域共同关注和交叉研究的前沿热点。
近日，中国农业科学院烟草研究所联合北京生命科技研究院、中国科学院植物研究所、中国农业科学院深圳基因组研究所、丹麦奥胡斯大学、菲律宾国际水稻所等多家科研机构，在国际顶尖期刊《自然·遗传学》（Nature Genetics）发表题为“ The genome and GeneBank genomics of allotetraploid Nicotiana tabacum provide insights into genome evolution and complex trait regulation”的研究论文。该研究首次绘制了栽培烟草及其祖先种的完美基因组图谱，解析了亚基因组演化与同源基因表达调控机制，构建了全球最大规模的烟草种质资源基因组变异图谱和基因型-表型关联育种导航图谱，发现了调控叶型发育的关键基因和育种过程中表型和基因组的演化规律，该研究奠定了烟草智慧育种的基础，为小麦、棉花等多倍体作物的基因组设计育种提供了思路和基因资源。
揭示烟草基因组演化和亚基因组协同调控复杂性状的奥秘
为解析栽培烟草亚基因组演化与同源基因表达调控机制，研究团队通过三代基因组测序技术、染色质构象捕获技术、染色质免疫共沉淀测序技术、转录组和表观组测序等多组学分析技术，绘制了栽培烟草中烟300及其两个祖先种的完美基因组图谱，发现染色体重排事件是稳定四倍体减数分裂的关键因素，且重排后T亚基因组在进化中经历了更快的遗传变异和重复序列丢失。进一步研究发现，表观遗传修饰（DNA甲基化）主导了亚基因组间基因表达的协同与分化。S亚基因组中部分基因通过降低甲基化水平显著上调表达，而对应的T亚基因组则通过相反的表观调控抑制同源基因活性。这种精准的表观遗传调节实现了两个亚基因组同源基因表达的“此消彼长”，使得两个亚基因组在抗病性、开花时间、叶片形态等复杂性状调控中贡献不均——T亚基因组主导抗病性，S亚基因组则更多影响发育性状，从而揭示了多倍体作物“亚基因组功能分化”的表观调节机制以及亚基因组协同调控复杂性状的分子遗传规律。
揭示不同类型烟草分化的基因组学基础，突破种质创新的理论边界
栽培烟草按照用途和后期调制加工方式可以被分为烤烟、晒烟、雪茄烟等多种类型。由于不同类型烟草的品质特征存在明显差异，长期以来烤烟新品种选育的亲本组配只在烤烟内开展，使得新品种的遗传背景异常狭窄，制约了突破性新品种的培育。为探究不同类型烟草形成的基因组学基础，拓宽新品种的遗传背景，团队对国家烟草种质资源库收录的全球5196份烟草种质资源（涵盖烤烟、晒烟、雪茄烟、香料烟等类型）开展了简化基因组测序。发现不同类型烟草之间的遗传分化很小（Fst 0.04-0.23）。尽管烤烟和晒烟表型和品质特征差异较大，但其背后的原因并非广泛的基因组差异，表明不同烟草类型分化的驱动因素可能是由少数几个基因和性状导致的，从理论上讲不同类型烟草间可以开展亲本组配从而拓宽遗传背景，为烟草遗传改良提供了新思路。
解码烟草育种的“黑匣子”、构建从基因型到表型的烟草育种导航图
作为一种特殊的经济作物，烟草的经济价值和使用价值主要取决于品质特征，育种目标是在提高品质的同时兼顾产量和抗性。由于栽培烟草经历了茄科的三倍化事件和异源四倍化，决定品质特征的次生代谢产物异常丰富，萜烯类、黄酮类、胡萝卜素类、糖脂等多个成分均与品质有关。因此，当前烟草品质改良并没有明确的靶标物质。同时烟草的产量、株型、抗性都为多基因控制的复杂性状，没有明确的基因靶点可以操纵。缺乏靶标和靶点，导致当前烟草育种仍然依赖于大规模的田间选择和感官评吸，极大地限制了品种改良的效率。
为明确育种的靶标和靶点、提高品种改良的效率，本研究探究了烟草育种过程中45个性状的变化规律，发现从农家种到引进品种再到我国育成品种中叶宽、总糖、还原糖等性状不断提升，而蛋白含量则逐渐下降，表明这些物质可能在品种选育的过程中受到了选择。其次，为进一步解析烟草复杂性状的遗传基础，本研究通过全基因组关联分析（GWAS），鉴定到控制产量、株型、抗性、化学成分等39个性状的178个遗传位点，构建了最为全面的烟草分子育种导航图。这相当于在拥有4.5亿个靶点的烟草基因组上安装了导航系统，使得育种家可以精确制导、同时操纵多个复杂性状，极大促进了多性状聚合改良的效率。再次，研究发现烟草基因组在育种过程中有明显的多基因适应特征。例如，本研究鉴定到229个与叶片糖含量相关的微效基因，解释了95%以上糖含量的变异。在现代栽培品种中其中86个微效基因的频率有着微小的提升（0.07），但糖含量却增加了一倍。该结果从理论上证实了通过全基因组选择改良烟草复杂性状的可行性。此外，研究还图位克隆了调控烟草叶宽的关键新基因Arf9，通过基因编辑技术敲除该基因，其成熟期中部叶宽度可增加6厘米，进一步研究发现由于该基因功能域中单核苷酸突变（Ala258→Pro258）直接破坏蛋白二聚化，从而导致了叶型改变。这一发现不仅为分子设计育种提供新靶点，也为其它农作物叶型改良提供新思路。
开启数据驱动的烟草智慧育种新篇章
中国农业科学院烟草研究所烟草种质资源与生物育种创新团队多年来秉持“做源头创新，把论文写在大地上”的科研理念，围绕烟草遗传改良和基因资源利用，建设了贯通烟草种质资源、智慧育种、抗病育种、品质育种、基因资源多元化利用、品种试验示范的烟草全链条创新攻关队伍；建设有国家烟草改良中心、全球烟草种质资源数量最多的“国家烟草种质资源中期库”和烟草行业烟草种质资源平台和全国烤烟新品种区域试验网络；开发了针对烟草主要病害的分子标记辅助聚合育种技术体系、针对烟草复杂性状的全基因组模块化育种技术和全基因组选择育种技术体系，选育出一系列突破性烟草新品种。随着组学大数据、基因编辑与人工智能的融合，团队目前正着力构建“大数据×智能设计×基因编辑”三位一体的新一代烟草生物育种技术体系，逐步实现烟草低焦油、高油分、高香气、多抗、适产等复杂性状协同提升的育种目标，开启烟草品种选育新篇章。
该项研究成果是首篇在国际顶尖期刊《自然·遗传学》（Nature Genetics）上发表的烟草基因组演化和复杂性状调控机制论文，得到了编辑和专家的高度认可。审稿专家认为：“这项研究不仅为烟草遗传学研究和复杂性状的遗传改良提供了路线图，更建立了多倍体作物研究的范本，将加速多倍体作物的设计育种进程”。
中国农业科学院烟草研究所烟草种质资源与生物育种创新团队昝艳君特聘研究员、陈帅助理研究员、刘国祥副研究员、任民副研究员、博士研究生刘昱彤为论文共同第一作者，中国农业科学院烟草研究所烟草种质资源与生物育种创新团队杨爱国研究员、程立锐研究员和北京生命科技研究院陈勇博士为论文共同通讯作者，国际水稻研究所叶国友研究员、丹麦奥胡斯大学房灵昭教授、中国科学院植物研究所董阳研究员参与了该项研究工作。该项研究得到中国农业科学院科技创新工程、中国烟草总公司基因组计划与生物育种重大科技项目、农业农村部烟草种质资源平台、中国农业科学院青年英才专项、山东省泰山学者青年专家和山东省海外优秀青年科学基金等项目的资助。
