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      2023年10月2日，河南省農業科學院張海洋研究員帶領的芝麻基因組研究小組（The Sesame Genome Working Group）在《Plant Communications》雜志在線發表了題為“Genomic evolution and insights into agronomic trait innovations of Sesamum species”的研究論文。該論文報道了胡麻屬芝麻栽培種和6個野生種染色體級別的基因組精細圖，首次揭示了胡麻屬物種的進化規律及其在雙子葉植物進化中的重要地位。研究發現，在胡麻屬不同種群進化中，基因組結構變異對芝麻栽培種株型、含油量及枯萎病抗性水平等重要農藝性狀產生了重大影響。發掘出了芝麻高含油量基因SiNAC1（提高6.2個百分點)、抗枯萎病基因ScaDIR40（免疫），首次揭示了芝麻栽培種較野生種含油量高而抗病性差的機理。

芝麻（Sesamum indicum L.）屬胡麻科胡麻屬，起源于非洲，是世界上最為古老的油料作物之一。芝麻主要種植在熱帶和亞熱帶地區，具有喜溫耐旱、耐瘠薄等優點，籽粒富含不飽和脂肪酸和抗氧化物質木酚素，被譽為“油料皇后”。我國是世界芝麻四大主產國之一，也是最大的消費國。為推動芝麻分子育種研究進程，2010年河南省農業科學院、南開大學、河南工業大學、江西省農業科學院、安徽省農業科學院等6家芝麻科研團隊組建了芝麻基因組研究小組，啟動了芝麻基因組計劃，并于2013年首次公布了芝麻栽培種De novo拼接基因組圖。

胡麻屬包含36個種（Species），涉及3個染色體組型（n = 13、16和 32），芝麻是胡麻屬中的唯一栽培種。作為芝麻基因組計劃的主體內容，本研究構建了胡麻屬芝麻栽培種（S. indicum，n = 13）和6個野生種（S. alatum，n=13； S. latifollum， n=16；S. angolense，n=16；S. calycinum，n=16；S. angustifolium，n=16；S. radiatum，n=32）染色體水平的的基因組精細圖，涵蓋了屬內全部3個染色體組型。栽培種基因組拼接大小為312.95 Mb，6個野生種基因組拼接大小為300.7 Mb（S. angustifolium）- 668.4 Mb（S. radiatum）。BUSCO結果顯示，7個基因組的拼接完整度為91.2-98.5%。

圖1. 芝麻基因組圈圖

基因組直系同源基因Ks分布結果顯示，這7個基因組均經歷了全基因組復制（WGD）和基因組三倍體化（WGT-γ）事件。此外，S. radiatum 還發生有第二次全基因組復制（WGD-2）事件，表明該種為四倍體（圖2A）。7個種的染色體組原位雜交（GISH）及著絲粒重復序列熒光原位雜交（FISH）的結果進一步證明，S. radiatum 基因組包含了兩套不同的著絲粒重復序列（Centromere repeats），為異源四倍體，被命名為AABB（圖2B）。其中，AA_Sra亞基因組與n = 16的二倍體野生種 S. latifolium 同為AA類，BB_Sra亞基因組與n = 16的S. angolense、S. calycinum、S. angustifolium等3個二倍體野生種為BB類。二倍體栽培種 S. indicum （n = 13）和S. alatum （n = 13）具有各自特異的著絲粒重復序列，分別被命名為CC和DD類基因組（圖2C）。

單拷貝同源基因進化分析顯示，胡麻屬分化發生在第三紀時期的48.5–19.7百萬年前（MYA）（圖2C）。其中n = 13的野生種S. alatum（DD）最早先分化出來，隨后是栽培種（n = 13, CC），其次是n = 16的野生種S. latifolium（AA）。S. latifolium分化時間在34.2 MYA，其他四個野生種 (n = 16) 的分化時間為 27.2–19.7 MYA。推測S. radiatum異源四倍體化的時間應該在~5 MYA。在該時期有多種植物發生多倍體化事件。研究認為胡麻屬物種的進化路線為：n = x= 13→ n= x= 16→ n = 2x = 32；物種向著染色體數目增多的方向進化。胡麻屬不同種的長時期進化特點，也反映出該屬物種在雙子葉植物進化中的相對古老地位。

圖2. 胡麻屬基因組進化特征

      泛基因組分析結果顯示，胡麻屬7個基因組共有25,401個基因家族，包含202,685個putative基因（圖3）。核心基因家族（Core families）共有9,164（36.1%）個；保守線性基因家族比例較大豆屬（Glycine，50.1%）和棉屬（Gossypium，61.8%）的低，進一步表明胡麻屬物種的發生應處于重要的物種擴展時期。

圖3. 胡麻屬7個種基因組共線性比較與泛基因組分析

同時，研究小組系統分析了栽培種及野生種的基因組結構變異（Structural variations，SV）特征，發現栽培種基因組中發生有多個SV變異，并對芝麻關鍵農藝性狀產生重大影響。例如，4166bp的Copia_LTR_反轉座子序列插入和24.9 Kb的大片段基因組序列缺失，分別引發了PEBP家族中的SiPT1和SiDT1基因發生SV變異，進而導致芝麻株型和花序類型性狀發生改變（圖4）。

圖4. 胡麻屬株型和花序類型調控基因

芝麻枯萎病是芝麻兩大真菌病害之一。與已測序的S. calycinum、S. latifolium、S. angolense、S. radiatum 等高抗病野生種相比，芝麻栽培種對強致病力枯萎病菌F. oxysporum f. sp. sesami （FOS）菌株則表現為高感水平。為揭示栽培種與野生種在枯萎病抗性方面的差異，研究小組開展了S. calycinum（高抗枯萎病）×S. angustifolium（高感枯萎病）種間雜交群體的GWAS關聯分析和SV分析（圖5），成功克隆出芝麻抗枯萎病基因ScaDIR40。該基因編碼Dirigent（DIR）蛋白，調控木酚素和木質素合成過程中的有機松柏醇類耦合反應，并能在次生細胞壁發生過程中提高植物的抗病抗逆性。在高感病野生種S. angustifolium中，等位基因Saudir32的5′-UTR -210bp處，插入了一段1411bp 的Copia_LTR_反轉座子（圖 5D）。在高感病栽培種中，同源基因Sindir37 的-1bp到-1400bp的5′-UTR 序列以及部分CDS序列則發生了丟失（圖5E）。上述SVs的獨立發生均導致了DIR基因功能發生改變，并最終導致植株枯萎病抗性喪失。研究為芝麻遠緣雜交、基因編輯等抗病育種研究提供了重要理論和技術支持。

圖5. 胡麻屬枯萎病抗性調控基因DIR

為揭示芝麻含油量高的分子機理，研究小組開展了油脂合成代謝相關基因家族（FA）分析（圖6）和560份芝麻核心種質3年3點8個環境下的GWAS分析（圖7）。發掘出了芝麻高含油量基因SiNAC1，首次證實SiNAC1參與調控植物油脂合成過程（圖7）；該基因的T333G堿基突變對芝麻含油量表型變異的最高解釋率為43.8%，籽粒含油量可提高6.2個百分點。研究發現NAC1基因在野生種中存在結構變異；SiNAC1能夠共表達調控FAD6、NPC1、CYP96A10、FAB1B、FAR2、DPL1、PDAT等不飽和脂肪酸生物合成與代謝調控相關基因（圖 7）。同時，研究小組還對另一個含油量相關基因SiPPO進行了家族分析和過表達轉基因功能驗證。研究為芝麻及其他油料作物品種改良提供了重要組學信息。

圖6. 芝麻脂肪酸合成路徑及人工選擇區域的重要優異基因群分布

圖7. 芝麻含油量性狀相關基因功能分析 

本研究得到了國家特色油料產業技術研發中心和河南省特色油料作物基因組學重點實驗室的支持。