转自：中国科学报
基因组变异就像是DNA的“拼写”，包括小的字母变化和大的段落变动。前者称为单个核苷酸变异（SNP），后者称为结构变异（SV）。如果“拼写”不同，将会如何影响作物？如果改变“拼写”，能否使作物育种满足人们的美好需求？
11月5日，中国农业科学院油料作物研究所研究员刘胜毅团队与华中农业大学信息学院教授杨庆勇团队合作，在《自然-遗传学》在线发表研究论文。他们揭示了基因组结构变异调控基因表达和性状变异机制，发现油菜硫苷合成和转运偶联的“秘密”，创制出抗病虫油菜新种质。
结构变异的育种意义
在自然界中，基因组变异并不罕见。人们对作物的改良和育种也用到了相关机理。此前，杨庆勇团队构建了首个油菜高质量泛基因组，绘制了目前最为全面的油菜变异图谱。
论文通讯作者杨庆勇向《中国科学报》解释说，如果将基因组比作一部长篇巨著的话，单个核苷酸变异就好比文字或标点的微小差异，而结构变异则是句子、段落的变化，包括增加、删除、重复、错位等，后者对于表型多样性和物种进化的贡献更加突出，育种意义更大。
可以说，揭示结构变异与产量、品质、抗病虫害、生育期、抗逆性等重要农艺性状之间的关系，并利用相关知识和技术进行作物改良，对于发掘和创制优异种质资源，提高作物产量、改善作物品质、增强作物抗逆性具有重要意义。
然而，以往的研究主要局限于单一个体水平、单个结构变异对基因表达和表型变异的影响研究。
论文通讯作者刘胜毅介绍说，单个基因组结构变异对基因表达和表型变异的影响及机制已有报道。人类和番茄等物种的研究表明，结构变异对于基因组进化和表型变异的影响远大于单个核苷酸变异。但在物种水平，结构变异对其的影响程度和范围尚不清楚。
杨庆勇表示：“由于多倍体作物基因组中重复序列多、变异丰富且复杂，很难直接通过二代短读长测序对结构变异进行高通量的精准鉴定，因此在群体水平上准确检测结构变异难度大且成本高，进而导致在物种水平缺乏结构变异对基因表达和性状形成调控规律的研究，严重制约了生物育种的进展。”
那么，如何抽丝剥茧，找到这一机理并应用于育种实践？
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绘制一份全景图
团队首先选定了两个亚种、3种生态型及人工合成油菜等16份油菜种质。研究人员基于16个甘蓝型油菜基因组和2105份重测序的核心种质资源构建了油菜物种水平的Pan-SV genome，结合群体5个组织的转录组数据鉴定了基因表达调控的SV-eQTL。
论文第一作者、中国农业科学院油料作物研究所副研究员张园园介绍说：“我们鉴定到的285976 SV-eQTL，涉及73580个eGene（占总表达基因数的90%）和47897 个lead-eSV。其中，8631个lead-eSV同时调控5个以上的eGene，10217个eGene同时受到5个以上的lead-eSV调控，说明了结构变异调控基因表达的复杂性。”
结构变异调控基因表达这么复杂，是否有规律可循？研究人员总结归纳出8种关键的分子机制：改变基因近端的表达调控序列/元件；通过影响转录因子进而调控下游基因表达；改变远端调控元件；破坏基因结构；通过TE介导的效应；通过影响组蛋白修饰介导；通过影响DNA甲基化介导；通过影响small RNA介导的转录后调控。
“这些结果揭示了大规模的结构变异调控基因表达的全景图，为结构变异调控基因表达和性状变异的复杂机制提供了更深入的认识。”杨庆勇说。
基于上述数据信息，研究人员研发出群体遗传学的GWAS、TWAS、eQTL和GWAS-eQTL共定位的高通量联合分析方法，实现了从DNA变异到基因表达再到性状变异高通量解析，鉴定出油菜35种农艺性状的726个“结构变异→基因表达→性状变异”的因果关联和调控网络，涉及180 eSV和311个eGenes。
杨庆勇表示，这一高通量的鉴定、解析结构变异对基因表达及其相关性状变异影响的方法和结果，为作物尤其是多倍体作物复杂性状形成机制解析提供了新策略。
打破连锁 创制新材料
揭示了机制、研发出方法，能否应用于育种，尤其是既抗病虫又高品质的油菜？事实上，这样的油菜关键在于其代谢物硫代葡萄糖苷（简称硫苷）——要想抗病虫，需要叶片高硫苷；要想高品质，需要种子低硫苷。这正是油菜育种的一个“世纪难题”。
接下来，研究人员以硫苷合成和转运通路为例，全面阐述了上述各种类别结构变异介导的基因表达及其对性状的调控机制。
通过对硫苷合成和转运代谢途径的完整解析，研究人员获得了调控油菜中硫苷含量的436个候选基因及其单体型，包括76个转录因子、324硫苷合成酶基因和36 个硫苷转运子基因，并发现3条染色体（A09、C02和C09）上都各自存在一个紧密连锁的强受选择区域，均包含两个硫苷合成关键基因MYB28、MYB34和一个硫苷转运基因GTR2，对应于拟南芥基因组祖先核型X Block，致使硫苷合成和转运偶联在一起。
刘胜毅表示：“‘双低’（低芥酸低硫苷）油菜的种子低硫苷主要是这3个位点中MYB28和MYB34的突变引起的。因此，如果要创制叶片高硫苷且种子低硫苷的油菜种质，必须打破这一连锁，形成有功能的MYB28/MYB34与无功能的GTR2组合。遗憾的是，来自全世界的2105份种质资源中都没有这样理想的基因型，致使目前油菜育种一直缺少叶片高硫苷种子低硫苷的资源和品种。”
为此，研究人员综合利用CRISPR/Cas9等生物育种技术，将油菜高硫苷品种ZY821中的BnaA09.GTR2敲除，使得叶片硫苷维持高含量的同时种子硫苷含量下降了约50%。他们进一步聚合团队前期鉴定到的油菜种质资源中无变异的硫苷转运基因BnaA06.GTR2的基因敲除材料，进而创制出目前育种急需但缺乏的叶片高硫苷且种子低硫苷的新种质。
现在，育种家可以直接将这一新种质的几个位点导入到现代“双低”油菜品种中，实现叶片高硫苷且种子低硫苷的品种改良。这样的油菜叶片富含高硫苷，不仅抗病虫害，在苗期和成熟期还抗鸟吃，同时种子低硫苷极大提升了菜籽的营养品质，杜绝了家畜饲喂饼粕后的抗营养作用，协同达到高抗高品质的目的，一石二鸟。
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这项工作不仅提供了一种高通量基因挖掘和功能解析的方法策略，而且为油菜基因组研究和生物育种产业提供了全面的基因资源和优异育种材料。
杨庆勇表示，未来，研究团队将继续聚焦油菜生物育种国家战略，通过人工智能、大数据等技术进一步提升油菜中重要基因和变异的挖掘效率，为重大突破性油菜新品种培育提供基础理论、数据、工具和平台支撑，充分发挥多组学数据对油菜遗传育种研究的加速和赋能作用。