黄麻（Corchorus sp.），一年生草本植物，是最重要的韧皮纤维作物，全球第二大天然纤维材料，占全球韧皮纤维的80％，仅次于棉花（Gossypium sp.）。黄麻具有许多优良的农艺性状，世界范围内对黄麻需求也日渐增加，但分子水平上对黄麻的了解确知之甚少，这使黄麻的遗传改良具有局限性。

近日，中国农科院麻类研究所、北京诺禾致源科技股份有限公司联合新加坡南洋理工大学以及新加坡国立大学，在国际期刊 The Plant Journal 杂志上发表了题为“Multi-omics provides new insights into the domestication and improvement of dark jute （Corchorus olitorius）”文章。通过基因组、转录组、表观修饰组联合分析的手段揭示了黄麻的驯化历史，并通过全基因组关联分析发现黄麻11个重要性状的候选位点。该研究为黄麻未来的耐盐等抗逆性和纤维育种提供了宝贵的遗传资源，而且对回顾早期作物育种的遗传基础具有重要意义。

文章亮点

1. 通过Nanopore long reads，10X Genomics sequencing以及 chromatin conformation capture （Hi-C） 多种测序技术组装了黄麻染色体版本的基因组，为黄麻基因组学研究提供参考序列。

2. 通过整合分析基因组、转录组、MicroRNA组和表观修饰组学数据发现C. olitorius 驯化和改良两个育种阶段的主要遗传变化，并揭示土壤盐度差异介导了驯化过程中环境适应性的选择。

3. 对11个重要农业性状进行GWAS分析，发现一系列与黄麻纤维产量和质量性状相关的重要调控位点，并且发现在黄麻的育种改良过程中，有利单倍型被选择和保留下来，这将直接提高黄麻纤维的质量和产量。

技术手段

Illumina PE sequencing、Oxford Nanopore Technology sequencing、10X Genomics sequencing、Hi-C sequencing、whole-genome bisulfite Sequencing、RNA Sequencing、N6-methyladenosine sequencing和MicroRNA sequencing。

研究结果

1 基因组组装和比较基因组分析

该研究联合使用Nanopore long reads （111.02 Gb）， 10X Genomics （10XG） sequencing （94.72 Gb）以及 chromatin conformation capture （Hi-C） （48.24 Gb） 多种测序技术对黄麻耐盐品种 C.olitorius 的基因组进行测序、组装以及注释。获得了411.26 Mb 染色体版本的基因组，Contig N50为4.13 Mb， BUSCOs评估基因组完整度为99.34%，LAI评估指数为14，QV值40.83，超过了脊椎动物基因组计划（VGP）标准的QV40 （图1a）。这些指标说明新组装的基因组具有很好的完整性和准确性，可作为黄麻基因组学研究的参考序列。通过构建13种植物的最大似然树对黄麻适应性进化中的基因家族扩张和收缩进行评估。C. olitorius 和C. capsularis 之间的分化时间约为16.5 Mya（95%置信区间：4.7-31.0 Mya）（图1c），共发现77个基因家族在黄麻祖先中经历了扩张。在C. olitorius 中发现了228个基因家族扩张，包含2351个基因，主要富集于五个核苷酸修复相关途径和氧化-还原途径。这些结果表明，扩张的基因家族通过快速的DNA修复和清除活性氧（ROS），增强黄麻对非生物胁迫的抵抗力。

图1 C. olitorius染色体水平的基因组组装和进化

2  种群结构、遗传多样性和驯化历史

通过对中国、孟加拉、印度和非洲收集到的256个种质进行重测序分析，共获得1.55 Tb高质量序列，包括2,812,688高置信度双等位SNP，其中100,276 SNP导致75.8%蛋白编码基因的改变，非同义突变与同义突变的比列为1.09. 该基因组变异图谱的构建为黄麻的分子育种提供了丰富的遗传资源。通过neighbor-joining tree，PCA和Bayesian clustering 对黄麻的种群结构进行分析。结果一致显示野生材料、地方品种和栽培品种之间存在可识别的遗传结构差异 （图2a）。野生品种、地方品种和栽培品种的平均遗传多样性（θπ）为1.6×10-3，1.3×10-3和0.8×10-3（图2c）。表明在C. olitorius 的繁殖过程中，驯化和改良导致了低的遗传多样性。对连锁不平衡（LD）衰减率的估计也显示，与陆生品种（47.1 kb）和野生品种（20.6 kb；图2d）相比，栽培品种的LD值（58.5 kb）更高。这进一步说明在人工选择过程中发生了相对较高的近亲繁殖，因此，栽培品系的重组事件较少，等位基因频率谱偏斜较小。此外， F ST 值显示，栽培品种和地方品种（0.094）之间的关系更密切（图2c），这说明在黄麻的育种改良过程中的遗传瓶颈比驯化过程中更温和。为了进一步解析C. olitorius 的驯化历史，应用SMC++来共同推断三个不同种群的动态历史和分化时间。结果表明，C. olitorius 的野生品种和驯化品种在2000-3000年前发生分化。在经历了最初的驯化瓶颈后，驯化种群的数量开始迅速增加，这支持了Sarkar等人关于C. olitorius 驯化历史较短的研究结论。此外，作者发现C. olitoriu 栽培种具有较低的θπ和较高的F ST 值，考虑到C. olitorius 的驯化期相对较短，一个合理的解释是，低水平的集中育种导致没有广泛适应的品种作为主要的育种品系，这不利于形成具有固定有利群体等位基因频率的栽培品系。总的来说，C. olitorius 可能是一个正在进行早期驯化的理想育种模式的物种。

图2 C. olitorius 种群的遗传结构和驯化历史

3 选择基因的鉴定以及基因组关联分析

作物育种通常经历驯化和改良两个重要阶段。为了确定黄麻在这两个育种阶段的潜在选择基因，应用XP-CLR和F ST 进行分析。共有2092个基因在驯化过程中被选择（即驯化基因），3209个基因在改良过程中被选择（即改良基因），只有160个共享基因。这反映了两个育种阶段在基因组重塑方面的巨大差异。对11个重要农艺性状进行GWAS分析，共鉴定到7，602个与之关联的SNPs位点。

4 多组学联合分析揭示盐胁迫适应性的遗传机制

在C. olitorius 的进化过程中，扩张的基因家族在其环境适应性方面发挥重要作用。其中132个驯化的基因属于扩张基因家族，主要富集于三个抗逆相关的代谢通路。并且发现与盐害指数相关的GWAS基因更多与扩张和驯化有关，这说明土壤中盐分的差异介导了环境适应性的选择。

对250 mM盐胁迫处理下的C. olitorius 两个种系 TC 和NY/252c （NY） 进行转录组和表观组分析，发现38.71%（910/2，351）的扩张基因和72.99%（1，527/2，092）的驯化基因有明显的表观修饰和/或转录水平差异，142个扩张基因在C. olitorius两个品系中上调表达，其中24个基因在mC-差异甲基化区域显著下调，并且这142个基因主要富集于5个植物应对非生物性胁迫的代谢通路中。其中超过一半的扩张-驯化基因具有表观或者转录水平的差异，例如，COS01g_00440在两个材料中均表达上调、外显子m6A修饰上调同时被两个上调的miRNAs （PC-5p-3280_3996 和mtr-MIR2592ay-p5_2ss6AG17CG） 靶标。这些结果表明，在基因家族驯化过程中，经历进化的基因具有明显的表观遗传和转录表达变化，可能在植物盐胁迫适应性的形成中发挥重要作用。而基因及其调控序列的表观遗传学修饰或编辑可能促进植物耐盐性的分子育种。

5 抗坏血酸代谢和脱落酸信号途径基因与黄麻的耐盐性相关

在GWAS基因中，有两个上调的基因（COS05g_02894 和COS04g_00516 ）属于L-抗坏血酸过氧化物酶（APX）基因家族和一个单脱氢抗坏血酸还原酶正交物COS04g_00816 都可参与抗坏血酸盐代谢途径，来清除ROS（图3a和3b）。并且转录组数据同样发现在TC和NY品系中上调的基因促进了抗坏血酸盐代谢通路循环：首先上调的COS05g_02894 和COS04g_00516 高表达APX催化酶加速H2O2的清除，而底物抗坏血酸盐被氧化成单脱氢抗坏血酸盐，m6A修饰的上调基因COS04g_00816 编码单脱氢抗坏血酸还原酶促进单脱氢抗坏血酸盐还原成抗坏血酸盐，从而加速了抗坏血酸盐代谢通路循环，促进了H2O2清除。根据以上结果推测黄麻可通过抗坏血酸循环途径清除ROS，促进渗透调节和水的有效利用，从而提高了耐盐性。

TC和NY品系中有31个差异表达基因在ABA合成途径显著富集（图3c和3d），其中包括一个与AISH性状关联的基因COS01g_00888，并且该基因具有m6A甲基化修饰，和一个驯化基因COS02g_01244（图3c），说明这些基因在黄麻盐胁迫适应中起到关键作用。

图3 GWAS分析黄麻耐盐性相关基因

6黄麻育种改良过程中选择的基因

株高（PH）和茎粗（STD）是与纤维产量相关的重要育种改良性状。GWAS分析结果显示与该性状相关的基因为遗传改良的基因而非驯化的基因。对于PH性状，在两个环境中发现了一个150 kb的关联峰，在改良过程中，它在一个选择消除区域显示了强关联性（图4a）。在该区域包括一个auxin-responsive small auxin upregulated RNA （SAUR） protein， COS05g_03104，共检测到五个基于三个SNPs的单倍型，这三个SNPs位于其上游1kb处 （图4b），其中hap2与生长素响应的SAUR蛋白相关，在黄麻育种中可诱导茎秆伸长。对于STD性状，在7号染色体处鉴定到两个与生长素相关的受选择的候选基因COS07g_00652 和COS07g_00653，可通过快速响应生长素的变化参与植物茎秆增粗，该候选基因可提高黄麻抗倒伏性。这些结果表明，在黄麻的育种改良过程中，与PH和STD有关的有利单倍型被选择和保留下来。这将直接提高黄麻纤维的产量。

图4 PH和STD性状的重要关联区域和基因

7 黄麻纤维质量和产量相关的基因鉴定

黄麻的纤维产量和品质性状具有较高遗传率。在GWAS结果中，鉴定到一个与纤维品质性状FSTR相关的基因，COS06g_03266主要参与甘露糖途径和一个纤维产量性状FBT的候选基因COS07g_01200，为拟南芥WRKY21的同源基因。并且发现与FSTR关联的信号主要分布在6号染色体的49，122，756到49，566，025区域，占所有关联信号的69.39%，这意味着该区域可能是纤维品质育种的热点区域（图5a）。对COS07g_01200的单倍型进行表达量分析，发现COS07g_01200可正调控黄麻FBT性状。这些发现为黄麻纤维品质和产量的早期育种提供了分子证据，为分子标记选择和黄麻遗传改良操作提供可靠的目标，从而满足未来纤维育种的需要。

图5 与FBT性状显著关联的区域和基因

该研究由国内外多家单位研究人员共同协作完成。中国农科院麻类研究所杨泽茂，戴志刚，北京诺禾致源科技股份有限公司研发与合作中心首席科学家田仕林研究员和高级生信工程师李祥孔，南阳理工大学颜安为该论文的共同第一作者。中国农科院麻类研究所粟建光研究员和北京诺禾致源科技股份有限公司研发与合作中心首席科学家田仕林研究员为论文的共同通讯作者。