科學(xué)家解析白羽扇豆古三倍化與低磷適應(yīng)機(jī)制

2020年2月26日，《Nature Communications》在線發(fā)表了福建農(nóng)林大學(xué)與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所合作的題為“The genome evolution and low-phosphorus adaptation in white lupin”的研究論文，解析了白羽扇豆基因組，揭示了白羽扇豆低磷適應(yīng)的特征與其基因擴(kuò)張與亞基因組優(yōu)勢(shì)關(guān)聯(lián)，對(duì)磷高效利用作物的篩選與培育具有重要的參考價(jià)值。

白羽扇豆（Lupinus albus，2n＝50）是一種耐低磷研究的模式植物，在缺磷條件下會(huì)產(chǎn)生大量排根，這種小根簇緊密排列在側(cè)根上，不僅增加了根系吸收磷的表面積，同時(shí)大量分泌質(zhì)子、有機(jī)酸和酸性磷酸酶，從而增加土壤中磷的有效性。之前由于高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)的缺乏，極大地限制了人們對(duì)白羽扇豆磷高效利用分子機(jī)制和排根發(fā)育機(jī)理的剖析。

該研究利用三代測(cè)序PacBio和Hi-C mapping技術(shù)組裝了白羽扇豆栽培種Amiga的染色體水平高質(zhì)量基因組（558.74 Mb）。基因組進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，白羽扇豆經(jīng)歷了與蕓薹屬等異源多倍體物種類(lèi)似的全基因組三倍化事件，即“two-step”多倍化進(jìn)程，導(dǎo)致亞基因組優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象。比較基因組、轉(zhuǎn)錄組及生理生化分析表明：白羽扇豆的自身碳固定、排根發(fā)育建成、土壤磷活化和內(nèi)部磷利用等4個(gè)先后調(diào)控途徑的多個(gè)相關(guān)基因發(fā)生顯著擴(kuò)張和特異性低磷誘導(dǎo)表達(dá)。其中，生長(zhǎng)素穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)鍵基因LaABCG36s和LaABCG37s對(duì)于排根形成至關(guān)重要，抑制其表達(dá)可大大減少排根形成，研究結(jié)果為作物磷高效利用的遺傳改良研究提供了新思路。