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2025年02月26日，北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院葉文秀研究員和郭立研究員團隊在國際頂尖期刊《自然-遺傳學（Nature Genetics ）》上在線發(fā)表了題為Super pangenome of Vitis empowers identification of downy mildew resistance genes for grapevine improvement 的研究成果，作為葡萄科研領域里程碑式的重大突破，首次繪制了涵蓋葡萄屬的歐亞、北美和東亞世界三大種群的72個葡萄種質(zhì)材料的單倍型超級泛基因組圖譜，揭示葡萄屬豐富遺傳多樣性和雜交歷史，基于葡萄多組學數(shù)據(jù)，挖掘到葡萄霜霉病抗性相關遺傳變異和抗病基因，加速葡萄精準分子育種，開啟葡萄種質(zhì)創(chuàng)新和利用新時代。

該研究首先組裝了釀酒葡萄（Vitis vinifera）霞多麗的完整單倍型基因組，并首次基于ChIP-seq數(shù)據(jù)鑒定了葡萄著絲粒序列，解析著絲粒的衛(wèi)星重復序列結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)單倍型著絲粒之間的顯著差異，表明其快速進化。其次，該研究通過對591個葡萄材料的群體基因組分析，選取了72個代表性葡萄材料（包括25個野生種和47個栽培種）進行染色體水平的單倍型基因組組裝（圖1），基因組驗證表明這些單倍體基因組序列具有較高的質(zhì)量和完成度。

鑒于葡萄基因組因頻繁雜交而具有的高度雜合性，單倍型基因組不僅能精確解析雜合區(qū)域序列，而且對分析葡萄的育種歷史也至關重要。本研究首次構(gòu)建了單倍型系統(tǒng)發(fā)育進化樹，揭示了葡萄屬植物復雜的育種歷史和豐富的遺傳多樣性。結(jié)果顯示，北美和歐洲品種存在較多內(nèi)部雜交，而東亞品種的內(nèi)部雜交較少，跨大洲雜交事件有限（圖2）。特別是東亞葡萄極少被開發(fā)的遺傳多樣性，表明了其潛在的巨大育種價值。此次新發(fā)布的東亞野生葡萄基因組為葡萄遺傳育種研究提供了強有力的資源支持。本研究還分析了72份葡萄材料的泛基因組家族，發(fā)現(xiàn)了超過6.4萬個基因家族，包括不同數(shù)量的核心、可變和私有的基因家族。擬合曲線表明，本研究的泛基因家族數(shù)量趨向飽和，表明葡萄泛基因組接近閉合。研究還系統(tǒng)分析了葡萄屬免疫受體蛋白基因家族NLR，結(jié)合三大種群的葡萄和圓葉葡萄抗霜霉病數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，TIR-NBARC-LRR家族的NLR基因在抗?。ㄒ吧咸眩┖透胁∑咸眩ㄔ耘嗥咸眩┲写嬖陲@著數(shù)量差異，因此有可能是葡萄抗霜霉病表型差異的重要因素之一。該超級泛基因組分析為研究葡萄屬的遺傳多樣性、進化歷史及功能基因挖掘提供了全面的基因組基礎（圖3）。

其次，本研究進一步繪制了目前最完整的葡萄基因組遺傳結(jié)構(gòu)變異（SV)圖譜，助力挖掘與抗性及資源利用效率等重要性狀相關的功能基因（圖4）。該研究通過全基因組序列比對和變異檢測，在67個Euvitis葡萄樣本中鑒定出132,518個非冗余結(jié)構(gòu)變異。功能富集分析表明，這些SV與葡萄葉片形態(tài)、病原識別及生物刺激感知相關。通過與已知分子標記的比較，本研究鑒定到霜霉病抗性分子標記Rpv3相關SV事件，并發(fā)現(xiàn)三大種群中該SV位點的不同單倍型與葡萄霜霉病抗性有顯著關聯(lián)性，證明該SV是一個關鍵抗病分子標記，突出了超級泛基因組圖譜的價值。

最后，本研究使用葡萄結(jié)構(gòu)變異圖譜和基于霞多麗完整基因組序列，構(gòu)建了第一個涵蓋歐、亞、美三大種群的圖形泛基因組?；谠搱D形泛基因組，該研究對113個葡萄樣本的霜霉病抗性表型、氣孔表型以及霜霉病侵染轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行了基因組變異的eQTL分析（圖5），鑒定出63個SV-eQTL和1,808個SNP-eQTL與葡萄抗霜霉病顯著相關。在63個與霜霉病抗性密切相關的SV的輔助下，本研究定位到一個氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白基因VvLHT8。進一步的分子功能實驗發(fā)現(xiàn)VvLHT8可能通過負調(diào)控葡萄水楊酸合成和氣孔免疫反應進而抑制葡萄抗病性，證實了高質(zhì)量泛基因組輔助的多組學關聯(lián)分析在作物重要農(nóng)藝性狀分子標記開發(fā)及功能基因挖掘中的高效性。該研究構(gòu)建的葡萄屬超級泛基因組不僅加深了對葡萄生物進化和育種改良的理解，也為精準改良葡萄抗病性和多樣性提供了重要的科學基礎。

綜上所述，本研究提供了迄今最全面的葡萄屬基因組資源，有助于全面解析葡萄基因組的復雜性和多樣性，從而高效發(fā)掘并利用葡萄特別是野生葡萄種中的優(yōu)異基因。該研究結(jié)合葡萄屬超級泛基因組、群體轉(zhuǎn)錄組學和表型組學，對葡萄屬遺傳多樣性和重要農(nóng)藝性狀形成機制的深入探索，為未來培育超級葡萄提供了理論基礎和新的思路（圖6），標志著葡萄基因組研究邁進新的階段，也必將加速推動我國葡萄種質(zhì)創(chuàng)新和葡萄產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院濰坊市葡萄種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點實驗室葉文秀研究員和郭立研究員為該論文的共同通訊作者。北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院郭立研究員、王祥鋒科研助理、Dilay Hazal Ayhan助理研究員、Mohammad Saidur Rhaman助理研究員和閆明訪問學生為該論文的共同第一作者。北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院的鄧興旺院士和中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所的劉崇懷研究員為本研究提供了重要支持，北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院的王冬月、鄭偉、梅俊杰、紀薇教授（山西農(nóng)業(yè)大學訪問學者）、焦健副教授（河南農(nóng)業(yè)大學訪問學者）、陳紹英、孫杰、易澍、孟點、汪婧、Mohammad Nasim Bhuiyan、國林領、楊慶先、張雪楠、孫海生、秦國臣研究員和中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所姜建福研究員為本研究作出了重要貢獻。該研究得到了北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院高性能計算中心和質(zhì)譜分析平臺的技術支持，以及山東省重點研發(fā)計劃和山東省自然科學基金、山東省泰山學者項目和山東省杰出青年基金的資助。

（受訪者供圖）