【项目文章】Nature Genetics | 国内科学家团队在葡萄属超级泛基因组研究中获得重大突破

2025年02月26日，潍坊现代农业山东省实验室、北京大学现代农业研究院叶文秀研究员和郭立研究员团队在国际期刊《自然-遗传学（Nature Genetics）》上在线发表了题为Super pangenome of Vitis empowers identification of downy mildew resistance genes for grapevine improvement的研究成果。作为葡萄科研领域里程碑式的重大突破，绘制了涵盖葡萄属的欧亚、北美和东亚世界三大种群的72个葡萄种质材料的单倍型超级泛基因组图谱，揭示葡萄属丰富遗传多样性和杂交历史，基于葡萄多组学数据，挖掘到葡萄霜霉病抗性相关遗传变异和抗病基因，加速葡萄精准分子育种，开启葡萄种质创新和利用新时代。百迈客生物为该研究提供了基因组、hic、转录组等测序服务。

研究背景

葡萄（Vitis）在全球范围种植广泛，即可鲜食又可加工成葡萄酒等，具有很高的经济价值，是农民致富、乡村振兴、人民美好生活中不可或缺的重要园艺作物。葡萄属于葡萄科葡萄属植物，该属包括两个亚属，麝香葡萄亚属(Muscadinia Planch)和真葡萄亚属(Euvitis Planch），共计70余个种；根据地理分布可将其分为三大类群，欧亚种群、北美种群和东亚种群。

葡萄作为最古老的驯化作物之一（约公元前11,000年），漫长的持续驯化和多年的育种改良导致现代葡萄品种的遗传多样性缩小和抗性丢失，使其易受病虫、逆境等各种不利条件的影响。近年北美葡萄泛基因组（Genome biology, 2023），欧洲葡萄泛基因组（Nature Genetics, 2024）的相继报道，野生葡萄以其丰富的遗传多样性和超强的抗性基因再次受到关注，但以大群体染色体级基因组组装为基础，涵盖主要品种，特别是包含东亚野生种葡萄的属级泛基因组一直未见报道。因此构建涵盖整个葡萄属的泛基因组将成为了解葡萄遗传多样性、开展功能基因组学研究、识别隐性遗传特性以及葡萄精准改良的关键资源。

材料方法及研究结果

该研究首先组装了酿酒葡萄（Vitis vinifera）霞多丽的完整单倍型基因组，并首次基于ChIP-seq数据鉴定了葡萄着丝粒序列，解析着丝粒的卫星重复序列结构特征，发现单倍型着丝粒之间的显著差异，表明其快速进化。其次，该研究通过对591个葡萄材料的群体基因组分析，选取了72个代表性葡萄材料（包括25个野生种和47个栽培种）进行染色体水平的单倍型基因组组装（图1），基因组验证表明这些单倍体基因组序列具有较高的质量和完成度。

鉴于葡萄基因组因频繁杂交而具有的高度杂合性，单倍型基因组不仅能精确解析杂合区域序列，而且对分析葡萄的育种历史也至关重要。该研究构建了单倍型系统发育进化树，揭示了葡萄属植物复杂的育种历史和丰富的遗传多样性。结果显示，北美和欧洲品种存在较多内部杂交，而东亚品种的内部杂交较少，跨大洲杂交事件有限（图2）。特别是东亚葡萄极少被开发的遗传多样性，表明了其潜在的巨大育种价值。此次发布的东亚野生葡萄基因组为葡萄遗传育种研究提供了强有力的资源支持。

该研究还分析了72份葡萄材料的泛基因组家族，发现了超过6.4万个基因家族，包括不同数量的核心、可变和私有的基因家族。拟合曲线表明，该研究的泛基因家族数量趋向饱和，表明葡萄泛基因组接近闭合。研究还系统分析了葡萄属免疫受体蛋白基因家族NLR，结合三大种群的葡萄和圆叶葡萄抗霜霉病数据发现，TIR-NBARC-LRR家族的NLR基因在抗病（野生葡萄）和感病葡萄（栽培葡萄）中存在显著数量差异，因此有可能是葡萄抗霜霉病表型差异的重要因素之一。该超级泛基因组分析为研究葡萄属的遗传多样性、进化历史及功能基因挖掘提供了全面的基因组基础（图3）。

其次，该研究进一步绘制了目前比较完整的葡萄基因组遗传结构变异（SV) 图谱，助力挖掘与抗性及资源利用效率等重要性状相关的功能基因（图4）。该研究通过全基因组序列比对和变异检测，在67个Euvitis葡萄样本中鉴定出132,518个非冗余结构变异。功能富集分析表明，这些SV与葡萄叶片形态、病原识别及生物刺激感知相关。通过与已知分子标记的比较，该研究鉴定到霜霉病抗性分子标记Rpv3相关SV事件，并发现三大种群中该SV位点的不同单倍型与葡萄霜霉病抗性有显著关联性，证明该SV是一个关键抗病分子标记，突出了超级泛基因组图谱的价值。

最后，该研究使用葡萄结构变异图谱和基于霞多丽完整基因组序列，构建了涵盖欧、亚、美三大种群的图形泛基因组。基于该图形泛基因组，该研究对113个葡萄样本的霜霉病抗性表型、气孔表型以及霜霉病侵染转录组数据进行了基因组变异的eQTL分析（图5），鉴定出63个SV-eQTL和1,808个SNP-eQTL与葡萄抗霜霉病显著相关。在63个与霜霉病抗性密切相关的SV的辅助下，该研究定位到一个氨基酸转运蛋白基因VvLHT8。进一步的分子功能实验发现VvLHT8可能通过负调控葡萄水杨酸合成和气孔免疫反应进而抑制葡萄抗病性，证实了高质量泛基因组辅助的多组学关联分析在作物重要农艺性状分子标记开发及功能基因挖掘中的高效性。该研究构建的葡萄属超级泛基因组不仅加深了对葡萄生物进化和育种改良的理解，也为精准改良葡萄抗病性和多样性提供了重要的科学基础。

研究总结

该研究提供了比较全面的葡萄属基因组资源，有助于全面解析葡萄基因组的复杂性和多样性，从而高效发掘并利用葡萄特别是野生葡萄种中的优异基因。该研究结合葡萄属超级泛基因组、群体转录组学和表型组学，对葡萄属遗传多样性和重要农艺性状形成机制的深入探索，为未来培育超级葡萄提供了理论基础和新的思路（图6），标志着葡萄基因组研究迈进新的阶段，也必将加速推动我国葡萄种质创新和葡萄产业的高质量发展。