作者：阮湄淇、李焕改
胡萝卜含有丰富的维生素A类胡萝卜素、α和β-胡萝卜素，可在全球范围内种植，适应于亚洲、欧洲和美洲等地气候，也可在亚热带气候地区种植。鉴于胡萝卜高营养价值和广泛种植特性，如何利用其较高的营养价值开发新的产品、扩大生产是目前人们比较关注的问题，而由类胡萝卜素驱动的胡萝卜色素积累的相关遗传学研究已成为胡萝卜遗传育种的重点。随着测序技术的进步，胡萝卜的驯化改良和颜色变化取得了一定进展，但由于缺乏大规模群体基因组数据支持，胡萝卜驯化和改良对种质遗传多样性的影响尚未解决。
近日，美国北卡罗来纳州立大学Kevin Coe等人在国际知名期刊 Nature Plants 上发表“Population genomics identifies genetic signatures of carrot domestication and improvement and uncovers the origin of high-carotenoid orange carrots”的研究论文，利用改良的胡萝卜参考基因组和630份胡萝卜材料重测序数据，对胡萝卜的驯化和改良进行了研究。研究结果表明，胡萝卜于中世纪早期在西亚到中亚地区被驯化，而橙色胡萝卜大约是在15或16世纪被选择的。随着被驯化的过程，其控制开花和胡萝卜素积累的基因受到选择，遗传多样性减少。已知 REC、Or 和 Y2 是数量性状基因座上的三个隐性基因，对高α-和β-胡萝卜素的表型的发生至关重要。这3个基因可以通过调节类胡萝卜素的生物合成途径来影响α-和β-胡萝卜素的积累。本研究主要阐明胡萝卜的驯化和改良以及类胡萝卜素的合成机制。
首先，研究人员对代表不同地理起源和育种历史的630份胡萝卜种质资源进行重新测序，研究胡萝卜的种群动态、聚类、基因流和群体演化历史。选择这些材料是为了确定不同的胡萝卜种群分类并追溯它们的起源，630份胡萝卜种质材料分为5个亚群，地方品种-A和地方品种-B代表东方胡萝卜，主要包括黄色、紫色萝卜，在公元9-10世纪被驯化；西方胡萝卜的驯化起源于公元16-17世纪，逐步形成了早期的栽培品种和后来的改良品种，主要包括橙色、红色萝卜；而来自非洲、亚洲、欧洲以及北美和南美洲的野生胡萝卜代表野生种群（图1a，b）。重测序结果共鉴定出25,375,112个单核苷酸多态性（SNPs），其中1,599,287个位于基因编码区内。对其进行系统发育分析和主成分分析，发现野生种群先从其共同的祖先中分离出来，其次是地方品种-A和地方品种-B种群，最后是早期品种和改良品种（图1c，d）。
图1. 胡萝卜种质的群体聚类
进一步的遗传多样性分析显示，与地方品种和栽培品种相比，野生胡萝卜表现出更高的核苷酸多态性。通过研究种群发展的历史，研究人员发现胡萝卜在驯化和改良过程中种群的瓶颈效应。与野生胡萝卜相比，栽培品种的遗传多样性和有效群体大小在驯化和改良过程中逐步降低（图2）。
之后，研究人员组装了胡萝卜参考基因组DH1 v.3，与v.2相比，其基因组大小为440.7Mb，包含9条染色体，预测了4103个新基因，其中3084个新预测的基因位于组装的DH1 v.3中，表达率为98.2%，验证了基因预测的可靠性。同时，在高度重复的区域中序列组装也得到了显著改进。新组装的基因组更完整、准确，突出了胡萝卜基因组以前未知的特征，有利于胡萝卜适应性进化历史的重建（图3a，b）。
图3. DH1 v.3基因组图谱
为进一步分析胡萝卜的驯化和改良机制，作者对五个种群进行选择性清除分析，野生种群与地方品种-A、地方品种-B之间的选择性清除与胡萝卜的驯化有关（图4a），而地方品种-A、地方品种-B与早期品种、改良品种之间的选择性清除与改良相关（图4b，c）。通过选择性扫描分析，确定了18个不同的受选择的基因组区域，富含与光周期和生物钟调节、花发育控制、光合作用和类异戊二烯代谢过程调节相关的基因家族。延迟开花是驯化的一个关键特征，有助于长出粗大的、可食用的根。研究人员发现涉及生物钟调节和开花时间基因（包括CHE、TCP7、TCP23 ）在驯化过程中处于选择状态（图4a），而与改良相关的选择性扫描中也包含参与开花时间调节的同源基因，如 KHZ1、FBH4、AREB3 和 CIB4（图4b）。
图4.胡萝卜种群的选择性扫描分析
最后，利用可视主根表型的601份材料进行全基因组关联分析（GWAS），并检测了435份材料的类胡萝卜素含量。通过全基因组关联分析发现，在第2、3、7号染色体上有几个与主根颜色和类胡萝卜素含量相关的显著位点，而与主根颜色相关的4个较弱位点位于第5、9号染色体（图5a，b）。研究人员确定了三个候选基因，分别是EX1-like（DCAR_730022）、Or-like（DCAR_310369）和 REC1-like（DCAR_206039），位于先前定位的 Y2、Or 基因座内，以及一个与类胡萝卜素含量相关的包含一个 REC1 同源基因的区域，来调节或介导类胡萝卜素生物合成与光合系统、叶绿体发育之间的相互作用。研究人员进一步研究这些基因间的相互作用，发现Y2 、Or-like 处的隐性等位基因和 REC1 基因座对α-和β-胡萝卜素的积累有影响，赋予了栽培胡萝卜品种中独特的橙色表型（图5）。
图5. 通过关联定位确定主根颜色和类胡萝卜素含量的候选基因
综上，该群体基因组学研究揭示了胡萝卜驯化和改良过程中的遗传机制，明确了影响类胡萝卜色素积累的关键基因 REC1、Or 和 Y2 ，为现代橙色胡萝卜育种奠定了基础，也为未来胡萝卜农业研究和品种改良提供科学依据。
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https://doi.org/10.1038/s41477-023-01526-6
