河北農業大學最新Science論文：校史首篇，破解達爾文的“惱人之謎”

編輯丨王多魚

排版丨水成文

自白堊紀中期以來，被子植物為何能迅速崛起 ，并在極短時間內完成爆發式多樣化的？這一達爾文提出的“惱人之謎”（abominable mystery），至今仍是一個懸而未決的難題。

基因組學和泛基因組學的最新進展為研究開花植物的快速進化和發育開辟了新途徑。然而，高質量的無間隙基因組和泛基因組資源的缺乏限制了我們全面了解基因組和泛基因組結構及多樣性，以及它們與植物表型變異之間聯系的能力。在馴化過程中迅速多樣化的作物，例如白菜（

Brassica rapa

2026 年 2 月 5 日，河北農業大學趙建軍教授、馬衛教授、洪益國教授及河南省農科院蔬菜研究所原玉香研究員，比利時根特大學Yves Van de Peer教授作為共同通訊作者（馬衛、劉遠銘、張曉孟、魏小春、李曉楠、劉照坤、袁凌云、李光光為論文共同第一作者），在國際頂尖學術期刊Science期刊發表了題為：Gapless pangenome analyses reveal fast

Brassica rapa

該研究從基因組、泛基因組和泛遺傳學三個層面系統刻畫了白菜亞種快速分化的遺傳基礎，把被子植物“快速擴張”這一達爾文的“惱人之謎”具象化為一個肉眼可見的演化框架之中。通過構建完整著絲粒圖譜，揭示了衛星重復、著絲粒動態與結構變異在蕓薹屬物種演化中的關鍵作用，加深了對蕓薹屬基因組起源與分化順序的認識。同時這一系列高質量圖譜與分析體系，為今后在蕓薹屬乃至更廣泛十字花科作物中開展功能和演化研究提供了研究范例。

該研究構建了 11 個 0 gap T2T 基因組+泛基因組，繪制最精細的白菜“基因組地圖”。研究團隊對 1720 份不同亞種的白菜材料進行重測序，精選 11 份代表性材料，綜合運用 PacBio HiFi、Nanopore 超長讀長、Hi-C 和 MGI 短讀長等多種測序技術，成功組裝出覆蓋全部端粒和 110 個完整（泛）著絲粒的“端粒到端粒”（T2T）0 gap 基因組，還挖掘到 6992 個新基因，結合已報道的 20 份白菜基因組數據，構建了目前最全面的白菜泛基因組，為在群體尺度上開展白菜遺傳多樣性與演化規律的精細解析提供了高質量的基因組資源。

研究團隊通過制備白菜 CENH3 特異抗體并開展 ChIP-seq，在 11 份代表材料的每一條染色體上逐一“點亮”功能著絲粒，首次在白菜各亞種中完整繪制出 110 個（泛）著絲粒的結構圖譜，挖掘出 5 種未知的白菜泛著絲粒特異衛星重復序列（satellites）；以圖泛基因組為框架系統梳理全基因組結構變異，構建了覆蓋31份材料的結構變異（SV）圖譜，共鑒定出超過 27 萬條結構變異，建構了“結構變異地圖”；提出了一個“SV-亞種特異基因-著絲粒模塊”的三元協同演化模型：結構變異和亞種特異基因提供形態分化的主要遺傳基礎，著絲粒的模塊化重塑在保證發育穩健性的同時為基因組創新“騰挪空間”，三者共同推動白菜在有限時間內形成多樣化亞種，也即快速演化的著絲粒與廣泛存在的結構變異相互作用，構成了驅動白菜亞種“快速分化”的基因組發動機。

該研究完成從泛基因組關聯到功能驗證，確定白菜葉球形成“總開關” （BrLH1）。研究團隊利用 1720 份材料，開展基于 SNP、InDel 和 PAV 的 pan-GWAS，精確鎖定 A07 染色體上單拷貝基因 BrLH1 為與葉球形成強關聯的唯一候選位點，并通過反復試驗，從遺傳學上將 BrLH1 明確為控制大白菜葉球形成的主效基因。同時功能層面上，BrLH1 屬于多 C2 結構域跨膜蛋白家族，可通過與 BrSUB 等受體激酶互作調控葉片生長方向與空間排布，從而塑造葉球結構。由此，BrLH1 被確立為葉球形成的核心調控節點，也是未來開展結球分子設計育種的關鍵靶標。

該研究獲得了審稿人的一致高度評價。審稿人認為：該研究是蕓薹屬基因組研究領域“一次里程碑式的飛躍”，構建的 0 gap 基因組與泛基因組資源“樹立了群體基因組學研究的新標桿”，有望成為“蕓薹屬遺傳學的里程碑工作”；這一研究“代表了巨大的工作量，將成為整個領域的重要資源”，對植物基因組演化和作物表型多樣性的理解具有廣泛而深遠的影響。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady7590