栽培煙草（Nicotiana tabacum）是由林煙草（N.Sylvestris，S亞基因組）和絨毛狀煙草（N.Tomentosiformis，T亞基因組）在約20萬(wàn)年前雜交形成的異源四倍體。歷經(jīng)茄科的三倍化事件和該異源四倍化事件，栽培煙草基因組經(jīng)歷了多次擴(kuò)張、幾乎所有基因都有2～6個(gè)拷貝。獨(dú)特的演化歷史造就了栽培煙草豐富的次生代謝產(chǎn)物、表型多樣性和龐大的生物量，使其成為了遺傳學(xué)研究的經(jīng)典模式植物、合成生物學(xué)的重要底盤植物和全球重要的經(jīng)濟(jì)作物。然而林煙草和絨毛煙草分化時(shí)間較短、染色體序列相似度很高，多倍體形成后同源染色體是如何準(zhǔn)確聯(lián)會(huì)確保減數(shù)分裂的順利進(jìn)行的？同一基因的多個(gè)拷貝的劑量效應(yīng)是如何調(diào)節(jié)的？它們又是如何協(xié)同調(diào)控復(fù)雜性狀變異的？在多倍體作物遺傳改良中如何應(yīng)對(duì)和利用多拷貝基因帶來(lái)的性狀遺傳調(diào)控復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)多倍體作物高效快速改良？這一系列科學(xué)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著植物學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)和作物遺傳育種等多個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)連續(xù)多年成為了幾個(gè)領(lǐng)域共同關(guān)注和交叉研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所聯(lián)合北京生命科技研究院、中國(guó)科學(xué)院植物研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所、丹麥奧胡斯大學(xué)、菲律賓國(guó)際水稻所等多家科研機(jī)構(gòu)，在國(guó)際頂尖期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）發(fā)表題為“The genome and GeneBank genomics of allotetraploid Nicotiana tabacum provide insights into genome evolution and complex trait regulation”的研究論文。該研究首次繪制了栽培煙草及其祖先種的完美基因組圖譜，解析了亞基因組演化與同源基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，構(gòu)建了全球最大規(guī)模的煙草種質(zhì)資源基因組變異圖譜和基因型—表型關(guān)聯(lián)育種導(dǎo)航圖譜，發(fā)現(xiàn)了調(diào)控葉型發(fā)育的關(guān)鍵基因和育種過(guò)程中表型和基因組的演化規(guī)律，該研究奠定了煙草智慧育種的基礎(chǔ)，為小麥、棉花等多倍體作物的基因組設(shè)計(jì)育種提供了思路和基因資源。

揭示煙草基因組演化和亞基因組協(xié)同調(diào)控復(fù)雜性狀的奧秘

為解析栽培煙草亞基因組演化與同源基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)三代基因組測(cè)序技術(shù)、染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)、染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序技術(shù)、轉(zhuǎn)錄組和表觀組測(cè)序等多組學(xué)分析技術(shù)，繪制了栽培煙草“中煙300”及其兩個(gè)祖先種的完美基因組圖譜，發(fā)現(xiàn)染色體重排事件是穩(wěn)定四倍體減數(shù)分裂的關(guān)鍵因素，且重排后T亞基因組在進(jìn)化中經(jīng)歷了更快的遺傳變異和重復(fù)序列丟失。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳修飾（DNA甲基化）主導(dǎo)了亞基因組間基因表達(dá)的協(xié)同與分化。S亞基因組中部分基因通過(guò)降低甲基化水平顯著上調(diào)表達(dá)，而對(duì)應(yīng)的T亞基因組則通過(guò)相反的表觀調(diào)控抑制同源基因活性。這種精準(zhǔn)的表觀遺傳調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)亞基因組同源基因表達(dá)的“此消彼長(zhǎng)”，使得兩個(gè)亞基因組在抗病性、開(kāi)花時(shí)間、葉片形態(tài)等復(fù)雜性狀調(diào)控中貢獻(xiàn)不均——T亞基因組主導(dǎo)抗病性，S亞基因組則更多影響發(fā)育性狀，從而揭示了多倍體作物“亞基因組功能分化”的表觀調(diào)節(jié)機(jī)制以及亞基因組協(xié)同調(diào)控復(fù)雜性狀的分子遺傳規(guī)律。

揭示不同類型煙草分化的基因組學(xué)基礎(chǔ)，突破種質(zhì)創(chuàng)新的理論邊界

栽培煙草按照用途和后期調(diào)制加工方式可以被分為烤煙、曬煙、雪茄煙等多種類型。由于不同類型煙草的品質(zhì)特征存在明顯差異，長(zhǎng)期以來(lái)烤煙新品種選育的親本組配只在烤煙內(nèi)開(kāi)展，使得新品種的遺傳背景異常狹窄，制約了突破性新品種的培育。為探究不同類型煙草形成的基因組學(xué)基礎(chǔ)，拓寬新品種的遺傳背景，團(tuán)隊(duì)對(duì)國(guó)家煙草種質(zhì)資源庫(kù)收錄的全球5196份煙草種質(zhì)資源（涵蓋烤煙、曬煙、雪茄煙、香料煙等類型）開(kāi)展了簡(jiǎn)化基因組測(cè)序。發(fā)現(xiàn)不同類型煙草之間的遺傳分化很小（Fst 0.04-0.23）。盡管烤煙和曬煙表型和品質(zhì)特征差異較大，但其背后的原因并非廣泛的基因組差異，表明不同煙草類型分化的驅(qū)動(dòng)因素可能是由少數(shù)幾個(gè)基因和性狀導(dǎo)致的，從理論上講不同類型煙草間可以開(kāi)展親本組配從而拓寬遺傳背景，為煙草遺傳改良提供了新思路。

解碼煙草育種的“黑匣子”、構(gòu)建從基因型到表型的煙草育種導(dǎo)航圖

作為一種特殊的經(jīng)濟(jì)作物，煙草的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值主要取決于品質(zhì)特征，育種目標(biāo)是在提高品質(zhì)的同時(shí)兼顧產(chǎn)量和抗性。由于栽培煙草經(jīng)歷了茄科的三倍化事件和異源四倍化，決定品質(zhì)特征的次生代謝產(chǎn)物異常豐富，萜烯類、黃酮類、胡蘿卜素類、糖脂等多個(gè)成分均與品質(zhì)有關(guān)。因此，當(dāng)前煙草品質(zhì)改良并沒(méi)有明確的靶標(biāo)物質(zhì)。同時(shí)煙草的產(chǎn)量、株型、抗性都為多基因控制的復(fù)雜性狀，沒(méi)有明確的基因靶點(diǎn)可以操縱。缺乏靶標(biāo)和靶點(diǎn)，導(dǎo)致當(dāng)前煙草育種仍然依賴于大規(guī)模的田間選擇和感官評(píng)吸，極大地限制了品種改良的效率。

為明確育種的靶標(biāo)和靶點(diǎn)、提高品種改良的效率，該研究探究了煙草育種過(guò)程中45個(gè)性狀的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)從農(nóng)家種到引進(jìn)品種再到我國(guó)育成品種中葉寬、總糖、還原糖等性狀不斷提升，而蛋白含量則逐漸下降，表明這些物質(zhì)可能在品種選育的過(guò)程中受到了選擇。其次，為進(jìn)一步解析煙草復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)，該研究通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS），鑒定到控制產(chǎn)量、株型、抗性、化學(xué)成分等39個(gè)性狀的178個(gè)遺傳位點(diǎn)，構(gòu)建了最為全面的煙草分子育種導(dǎo)航圖。這相當(dāng)于在擁有4.5億個(gè)靶點(diǎn)的煙草基因組上安裝了導(dǎo)航系統(tǒng)，使得育種家可以精確制導(dǎo)、同時(shí)操縱多個(gè)復(fù)雜性狀，極大促進(jìn)了多性狀聚合改良的效率。再次，研究發(fā)現(xiàn)煙草基因組在育種過(guò)程中有明顯的多基因適應(yīng)特征。例如，該研究鑒定到229個(gè)與葉片糖含量相關(guān)的微效基因，解釋了95％以上糖含量的變異。在現(xiàn)代栽培品種中其中86個(gè)微效基因的頻率有著微小的提升（0.07），但糖含量卻增加了一倍。該結(jié)果從理論上證實(shí)了通過(guò)全基因組選擇改良煙草復(fù)雜性狀的可行性。此外，研究還圖位克隆了調(diào)控?zé)煵萑~寬的關(guān)鍵新基因Arf9，通過(guò)基因編輯技術(shù)敲除該基因，其成熟期中部葉寬度可增加6厘米，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)由于該基因功能域中單核苷酸突變（Ala258→Pro258）直接破壞蛋白二聚化，從而導(dǎo)致了葉型改變。這一發(fā)現(xiàn)不僅為分子設(shè)計(jì)育種提供新靶點(diǎn)，也為其它農(nóng)作物葉型改良提供新思路。

開(kāi)啟數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煙草智慧育種新篇章

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所煙草種質(zhì)資源與生物育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)多年來(lái)秉持“做源頭創(chuàng)新，把論文寫在大地上”的科研理念，圍繞煙草遺傳改良和基因資源利用，建設(shè)了貫通煙草種質(zhì)資源、智慧育種、抗病育種、品質(zhì)育種、基因資源多元化利用、品種試驗(yàn)示范的煙草全鏈條創(chuàng)新攻關(guān)隊(duì)伍；建設(shè)有國(guó)家煙草改良中心、全球煙草種質(zhì)資源數(shù)量最多的“國(guó)家煙草種質(zhì)資源中期庫(kù)”和煙草行業(yè)煙草種質(zhì)資源平臺(tái)和全國(guó)烤煙新品種區(qū)域試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)；開(kāi)發(fā)了針對(duì)煙草主要病害的分子標(biāo)記輔助聚合育種技術(shù)體系、針對(duì)煙草復(fù)雜性狀的全基因組模塊化育種技術(shù)和全基因組選擇育種技術(shù)體系，選育出一系列突破性煙草新品種。隨著組學(xué)大數(shù)據(jù)、基因編輯與人工智能的融合，團(tuán)隊(duì)目前正著力構(gòu)建“大數(shù)據(jù)×智能設(shè)計(jì)×基因編輯”三位一體的新一代煙草生物育種技術(shù)體系，逐步實(shí)現(xiàn)煙草低焦油、高油分、高香氣、多抗、適產(chǎn)等復(fù)雜性狀協(xié)同提升的育種目標(biāo)，開(kāi)啟煙草品種選育新篇章。

該項(xiàng)研究成果是首篇在國(guó)際頂尖期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上發(fā)表的煙草基因組演化和復(fù)雜性狀調(diào)控機(jī)制論文，得到了編輯和專家的高度認(rèn)可。審稿專家認(rèn)為：“這項(xiàng)研究不僅為煙草遺傳學(xué)研究和復(fù)雜性狀的遺傳改良提供了路線圖，更建立了多倍體作物研究的范本，將加速多倍體作物的設(shè)計(jì)育種進(jìn)程”。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所煙草種質(zhì)資源與生物育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)昝艷君特聘研究員、陳帥助理研究員、劉國(guó)祥副研究員、任民副研究員、博士研究生劉昱彤為論文共同第一作者，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所煙草種質(zhì)資源與生物育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)楊愛(ài)國(guó)研究員、程立銳研究員和北京生命科技研究院陳勇博士為論文共同通訊作者，國(guó)際水稻研究所葉國(guó)友研究員、丹麥奧胡斯大學(xué)房靈昭教授、中國(guó)科學(xué)院植物研究所董陽(yáng)研究員參與了該項(xiàng)研究工作。該項(xiàng)研究得到中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、中國(guó)煙草總公司基因組計(jì)劃與生物育種重大科技項(xiàng)目、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部煙草種質(zhì)資源平臺(tái)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年英才專項(xiàng)、山東省泰山學(xué)者青年專家和山東省海外優(yōu)秀青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。