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项目文章Hortic Res | 扬大-单细胞测序揭示大蒜繁殖性状的退化史

来源：花匠小妙招时间：2025-10-23 14:54

2023年11月27日，扬州大学刘头明教授联合中国农业科学院蔬菜花卉研究所、麻类研究所等国内外团队在Horticulture Research（IF：8.7）上发表了题为“Genome resequencing reveals the evolutionary history of garlic reproduction traits”的文章，该研究揭示了大蒜有性繁殖性状的退化过程。

发表期刊：Horticulture Research

影响因子：8.7

发表时间：2023年11月

研究材料：大蒜（Allium sativum L.）的叶片和鳞茎组织。

测序技术：10x Genomics单细胞RNA测序和基因组重测序

欧易生物提供了该项目的单细胞转录组和基因组重测序实验和分析工作。

大蒜（Allium sativum L.）是一种重要的蔬菜和药用作物，现代大蒜品种都是克隆繁殖。大蒜在发芽后，鳞芽会在苗期持续为其提供营养，以确保蒜苗能够更好地应对和适应各种环境变化。因此，鳞芽逐渐进化并作为种子，由于其进化过程中所展现出的强大生存优势，从而取代了有性繁殖。这导致该物种中的有性繁殖变得可有可无，并出现了退化现象。然而，关于大蒜有性繁殖性状退化的机制，目前尚待进一步的研究和探索。

本研究利用单细胞RNA测序和基因组重测序揭示了无性系繁殖大蒜的生殖性状的进化史。利用134个品系的大蒜通过基因组分析中，发现与生殖相关的抽薹和花芽性状的进化历史，并将其分为五个大蒜群。在基因表达、单细胞转录组测序和全基因组性状关联分析中，发现了许多与生殖过渡和花芽发育相关的候选基因，其中一些显示出独特的选择特性。

1. 基因组变异、种群分布及多样性

首先，与前任研究的84个品种中发现的基因组变异相比，该研究发现了更多的变异，其中182,131,135个SNP和15,907,046个indels被鉴定为新变异。因此，这些新测序的基因型增加了有价值的新遗传数据，为研究这种具有重要经济价值的作物的降低生物学特性和育种提供了重要资源。此外，来自30个国家的134个大蒜品种被聚类为5个组（图1a和b），即包括28个品种的BG（基因型偏向外群近缘物种韭葱），CG1（27个品种）、CG2（46个品种）、G3（16个品种）和G4（在之前的研究中称为OG；17个品种）。值得注意的是，所有14个花芽品系都属于BG组，且遗传多样性大于其他组群。

图1 大蒜品系的种群结构与遗传多样性

2. 大蒜种群的进化分析

系统发育分析将大蒜种群分为BG和两个进化支系。此外，不同进化支系的群体之间的基因组差异大于群体与BG之间的差异（图1c），由此，表明大蒜种群可能经历了两条不同的进化路线（即BG-G4-CG1和BG-G3-CG2）。结合研究结果、品种的地理位置以及之前的研究结果，推测大蒜可能的迁移路线如下（图2a）：

1. 最初的驯化向两个方向发展：向东发展，形成共同进化的G4和CG1群体以及独立的CG2群体；

2. 向西发展，形成G3群体；

3. 随后的二次驯化包括东部（CG1、CG2）和西部（G3）之间的品种交流；

图2 大蒜的退化史

五个大蒜类群都显示出相似的种群轨迹（图2b），即大蒜的祖先在20-30万年前达到峰值，随后持续下降，直到末次冰川高峰期结束（距今2万年）。有趣的是，在瓶颈期之后，不同进化支系的种群规模在不同时期有所扩大，即CG1和G4的扩大早于CG2和G3（图2b）。大蒜于1万多年前在中亚被驯化，由于驯化经常导致遗传多样性的丧失，所以驯化是栽培大蒜有效规模缩小的潜在原因之一。

3. 大蒜种群间抽薹性状的遗传多样性

与无性繁殖相比，大蒜的抽薹时间的控制基因共有3539个在生殖期大蒜叶片中的表达发生了变化。在大蒜进化/驯化过程中，CO样Asa3G00698.1和促进开花的FT样Asa6G06199.1分别在CG1和G3中被选中，证实了CO/FT样基因在大蒜抽薹中的作用以及它们在大蒜驯化过程中可能的分化选择（图3a）。编码B-box锌指蛋白（BBX）的Asa2G00291.1在CG1和G4中都具有独特的选择特征（图3b），由此说明Asa2G00291.1在BG-G4-CG1的进化路线上经历了连续的选择。此外，Asa2G00291.1在大蒜的生殖生长过程中表现出表达下调（图3c）。表明该BBX同源物在控制大蒜萌芽时间方面起着类似的作用，其进化可能会对共同进化的CG1和G4大蒜品种的抽薹时间产生潜在影响。

图3. 大蒜抽薹时间的选择特性

全基因组关联分析中，发现来自11个基因组区域的14个信号与大蒜抽薹有关（图4a）。其中CG2和CG1组中5号染色体上的核苷酸多样性明显降低（图4b），表明该区域在两个栽培组中经历了共同的选择；在由81个品种组成的大蒜群中，该选择区的Asa5G01527.1的表达与茎抽薹时间呈负相关。Asa5G01527.1编码一种推测的全局转录因子E组（GTE）蛋白。与携带野生型等位基因的品种相比，携带突变型等位基因和杂合型等位基因的品种的抽薹期明显较晚（图4e）。这些结果表明，Asa5G01527.1是qFLT5b的候选基因。在134个插入物中发现了5个单倍型，CG1和CG2只拥有一个不同的单倍型（图4d），表明该萌芽时间相关基因在两个不同的进化方向上经历了差异选择。Asa5G01527.1的差异选择可能与大蒜萌芽时间的多样化密切相关。总之，研究发现了许多与大蒜萌芽相关的候选基因，它们在不同的大蒜类群中显示出不同的选择信号。这些大蒜萌芽相关基因的不同选择可能是这些群体之间萌芽时间多样化的原因。

图4.选择特性与抽苔时间相关基因位点的重叠

4. 与生殖转变相关的细胞特异性表达基因的选择特性

利用单细胞RNA测序技术探索在雌花萌发过程中作用于基质的基因。将4491个高质量细胞分为了10个cluster（图5b），其中C3（cluster 3）和C4的细胞属于木质部类型，而C5、C6、C8和C9的细胞分别属于干细胞、表皮细胞、筛管细胞和增殖细胞（图5c和d）。发育轨迹表明，C5和C9的细胞向两个方向发育（图5e）。每种细胞类中有552个基因与大蒜抽薹有关，因为它们在生殖阶段的表达量与无性生殖阶段不同（图5f）。此外，位于从母细胞发育而来的C1/C6/C7/C10分支中的细胞对大蒜的抽薹很重要，以及Asa2G00291.1和Asa7G00828.1基因的表达量也高于C2/C8分支（图5g）。结果表明，Asa3G03399.1在控制开花方面可能具有与其同源物VIN3相似的功能。总之，基质细胞活性的Asa3G03399.1通过春化反应参与了生殖转换，它的选择可能是CG1和CG2栽培品种萌芽能力进化的原因。

图5.大蒜生殖过渡期基板细胞活性基因的鉴定

5. 与花芽异常生长相关的潜在基因的选择

此外，有研究显示，大蒜花药和柱头的败育与花器官中大量气生鳞茎的着生存在关联。为了深入了解与大蒜花发育相关的基因，研究人员比较了可育大蒜品种F87与不育大蒜品种二水早的花器官转录组。结果显示，大量已报道的鳞芽膨大相关基因与气生鳞茎的形成密切相关，如FT同源基因Asa6G06199.1和GA2ox基因Asa8G03383.1等。这些基因在栽培大蒜中具有强烈的选择信号。因此，在大蒜的进化过程中，鳞芽发育相关基因的进化不仅推动了鳞芽的膨大，也导致了花芽膨大形成气生鳞茎。

图6.大蒜花芽分化相关基因的选择特征

大蒜抽薹和气生鳞茎形成是决定大蒜有性繁殖能力的重要生长过程。本文鉴定了大量与这两个过程相关的基因，并发现它们在栽培大蒜中受到了强烈的选择影响。这些研究结果为深入了解大蒜有性繁殖能力退化的基因组基础提供了重要信息。

参考文献：

Wang H, Shemesh-Mayer E, Zhang J, et al. Genome resequencing reveals the evolutionary history of garlic reproduction traits. Hortic Res. 2023;10(11):uhad208. Published 2023 Oct 17. doi:10.1093/hr/uhad208

作者简介

中国农业科学院蔬菜花卉研究所王海平研究员，中国农业科学院麻类所已毕业博士张江江，扬州大学园艺园林学院青年教师高松为论文第一作者，扬州大学刘头明教授和以色列植物科学研究所Rina Kamenetsky为论文通讯作者，华中农业大学李林教授等也参与完成了该研究。

欧易生物简介

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