泛基因組是一個(gè)物種中所有個(gè)體基因組信息的總和，構(gòu)建泛基因組可以有效解決單一參考基因組帶來(lái)的信息缺失和分析偏差。而超級(jí)泛基因組則代表一個(gè)屬內(nèi)所有物種的基因組信息，尤其蘊(yùn)含了野生種中豐富的基因組變異，是對(duì)泛基因組的進(jìn)一步擴(kuò)展，在遠(yuǎn)緣雜交和基因發(fā)掘等方向具有重要應(yīng)用前景。

西瓜是世界重要的園藝經(jīng)濟(jì)作物之一，富含抗氧化劑番茄紅素和增強(qiáng)血液循環(huán)的瓜氨酸，口味甘甜，享有夏季"水果之王"的美譽(yù)，深受全球消費(fèi)者喜愛(ài)。西瓜全球年產(chǎn)量接近1億噸，我國(guó)作為種瓜和吃瓜第一大國(guó)，生產(chǎn)和消費(fèi)了全球總量的60%以上，西瓜產(chǎn)業(yè)在鄉(xiāng)村振興和農(nóng)民致富中占有十分重要的作用。我國(guó)西瓜產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展離不開(kāi)優(yōu)良的品種 ，依靠一代代育種家的不懈努力，我國(guó)成為世界上西瓜種質(zhì)創(chuàng)新和品種選育最為活躍的國(guó)家，在品種種源方面實(shí)現(xiàn)了完全自主可控。隨著氣候變化的加劇和病蟲(chóng)危害的日益嚴(yán)重，西瓜生產(chǎn)面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有優(yōu)良品種的基礎(chǔ)上，“植入”缺少的抗病耐逆優(yōu)良基因，是西瓜種質(zhì)創(chuàng)新的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)維持我國(guó)西瓜產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展十分重要。栽培西瓜在馴化和品種改良過(guò)程中因?yàn)閷?duì)品質(zhì)和產(chǎn)量的追求，導(dǎo)致遺傳多樣性非常狹窄，抗病耐逆基因大量丟失，而在西瓜的祖先即野生西瓜中存在廣泛的遺傳與表型多樣性，具有豐富的抗病耐逆等基因資源，是西瓜遺傳改良和種質(zhì)創(chuàng)新的寶庫(kù)。

2024年7月8日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院在國(guó)際頂尖期刊《自然-遺傳學(xué)》上在線發(fā)表了題為Telomere-to-telomere Citrullus Super-pangenome Provides Direction for Watermelon Breeding的研究成果，是西瓜科研領(lǐng)域的重大突破。

該研究繪制了西瓜屬全部7個(gè)種的28份代表性材料的端粒到端粒（T2T）高質(zhì)量基因組圖譜，成功構(gòu)建首個(gè)屬級(jí)T2T水平超級(jí)泛基因組。得到總計(jì)768.5Mb，32,513個(gè)基因家族的西瓜屬泛基因組，是單個(gè)西瓜基因組的1.5倍，增加了11,225個(gè)栽培西瓜中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的基因。基于T2T高質(zhì)量基因組圖譜，該研究首次全面比較了西瓜屬的著絲粒序列，其豐富的變異和特有的進(jìn)化關(guān)系影響了不同種之間的雜交配對(duì)。因此，該研究繪制了西瓜屬全部7個(gè)種的28份代表性材料的端粒到端粒（T2T）高質(zhì)量基因組圖譜，成功構(gòu)建首個(gè)屬級(jí)T2T水平超級(jí)泛基因組。 （圖1）

圖1：西瓜屬7個(gè)種的28份代表性材料的多樣性與泛基因組圖譜

   利用基因組序列，該研究拓展了西瓜屬的分類(lèi)系統(tǒng)，核實(shí)了西瓜起源于非洲的理論依據(jù)，并發(fā)現(xiàn)栽培西瓜除之前報(bào)道的cordophanus亞種外可能還存在其他祖先。另外，該研究還鑒定到在西瓜屬內(nèi)發(fā)生的三次重大染色體重排事件和兩個(gè)超長(zhǎng)片段倒位，這些染色體重排顯著影響了西瓜的抗性、品質(zhì)相關(guān)基因以及三維基因組結(jié)構(gòu)，并在栽培種中得以保留。同時(shí)，這些發(fā)現(xiàn)也為回交育種過(guò)程中避免連鎖累贅提供了基因組基礎(chǔ)。（圖2）

圖2：西瓜屬進(jìn)化與栽培西瓜的起源

   西瓜超級(jí)泛基因組鑒定出461,987個(gè)結(jié)構(gòu)變異（SV），構(gòu)建了西瓜圖形泛基因組。并通過(guò)SV-GWAS鑒定了馴化過(guò)程中丟失和獲得的關(guān)鍵基因，挖掘了與葫蘆素含量、含糖量、果肉著色等重要性狀相關(guān)的功能基因結(jié)構(gòu)變異，發(fā)現(xiàn)在西瓜馴化過(guò)程中，伴隨著多個(gè)與含糖量增加、果肉變紅相關(guān)的基因簇?cái)U(kuò)張，大量抗病功能相關(guān)的基因簇丟失。該研究為西瓜研究人員和育種家提供了最完整的基因組資源，助力深入理解西瓜基因組的復(fù)雜性和多樣性，從而高效挖掘和利用野生西瓜種中的優(yōu)異基因。（圖3）

圖3：西瓜屬重要性狀基因結(jié)構(gòu)變異圖譜

   最后，該研究利用野生西瓜的基因組序列和抗病基因信息，通過(guò)種間雜交育成了抗多種病害的自交系‘PKR6’，并確定了西瓜抗枯萎病生理小種1的候選基因。該研究提供了利用野生種質(zhì)創(chuàng)制優(yōu)異育種材料的范例，從而將馴化過(guò)程中丟失的抗病基因重新有目的地“植入”到栽培種中，對(duì)加速抗病品種選育、促進(jìn)西瓜產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。（圖4）

圖4：遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)制優(yōu)良抗病種質(zhì)PKR6基因組及枯萎病抗性表型

   西瓜屬端粒到端粒超級(jí)泛基因組是最高質(zhì)量最全面的西瓜屬基因組序列圖譜和變異圖譜，它揭示了西瓜屬的基因組演化歷史，發(fā)掘了西瓜野生種中豐富的遺傳多樣性，提供了利用野生種質(zhì)創(chuàng)制優(yōu)異育種材料的新范例，為其他作物超級(jí)泛基因組的構(gòu)建和野生種質(zhì)的利用指明了方向。

   北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新平臺(tái)張興平研究員和鄧云研究員、農(nóng)業(yè)組學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)何航研究員為該論文的共同通訊作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生張宜林、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院趙明霞副研究員、譚景勝科研助理和北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院2023屆博士生黃銘涵為該論文的共同第一作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院鄧興旺院士、李博生研究員和秦國(guó)臣研究員為本研究提供了重要支持，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院楚簫、李妍、韓雪、方桃紅、田瑤、鹿東東、陳亦君、薛麗芳、李曉妮和江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所孫玉東研究員以及美國(guó)農(nóng)業(yè)部種質(zhì)資源中心Robert Jarret博士為本研究作出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了山東省科技創(chuàng)新資金項(xiàng)目、寧夏回族自治區(qū)農(nóng)業(yè)育種專項(xiàng)、山東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、寧波市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目和濰坊市種業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。

專家點(diǎn)評(píng)：

   中國(guó)科學(xué)院院士 黃三文研究員對(duì)該成果給予了高度評(píng)價(jià)：

   參考基因組是分子育種的重要基礎(chǔ)。2008 年，多家科研單位和高校共同發(fā)起并推出了“國(guó)際西瓜基因組”計(jì)劃。該計(jì)劃預(yù)期首先實(shí)現(xiàn)西瓜基因組草圖，之后更新為高質(zhì)量基因組圖譜，并進(jìn)一步擴(kuò)展至整個(gè)西瓜屬。到2012 年，北京市農(nóng)林科學(xué)院等單位聯(lián)合發(fā)布了第一個(gè)東亞栽培西瓜“97103”的基因組草圖，開(kāi)啟西瓜基因組研究時(shí)代（Nature Genetics, 2013）。之后，在多個(gè)中外團(tuán)隊(duì)共同努力下，于2019 年在Nature Genetics雜志發(fā)布了改進(jìn)的西瓜“97103”的參考基因組圖譜，并提供了西瓜屬414 份代表性材料的全基因組重測(cè)序變異圖譜。該研究不僅明確了西瓜7 個(gè)種之間的進(jìn)化關(guān)系，而且發(fā)掘了控制含糖量與瓤色等品質(zhì)性狀的關(guān)鍵基因，有助于開(kāi)展相應(yīng)性狀改良的分子育種技術(shù)。然而，受到當(dāng)時(shí)測(cè)序技術(shù)的限制，已報(bào)道的參考西瓜基因組序列中仍存在著大量缺口（Gaps），這些上萬(wàn)個(gè)缺口中含有豐富的基因和重復(fù)元件信息，因此，不完整的參考基因組制約了基因組學(xué)研究和育種應(yīng)用。到2022 年，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院終于完成了首個(gè)西瓜端粒到端粒（T2T）的基因組圖譜組裝，并構(gòu)建相應(yīng)的飽和EMS 突變體庫(kù)(Molecular Plant, 2022) 。同時(shí)這項(xiàng)研究也是葫蘆科作物中屬水平的第一個(gè)T2T 水平的參考基因組，這一里程碑式的工作不僅為西瓜提供了高分辨率的基因組圖譜，也為葫蘆科作物的后續(xù)遺傳研究建立了新標(biāo)準(zhǔn)。

   到了T2T 基因組時(shí)代，研究人員發(fā)現(xiàn)相比栽培西瓜的高質(zhì)量基因組，野生西瓜的參考基因組仍很缺乏。栽培種西瓜的遺傳變異非常狹窄，育種家已經(jīng)將越來(lái)越多的西瓜野生種用于育種來(lái)提高栽培西瓜的抗病性和抗逆性，但高質(zhì)量野生西瓜基因組序列的缺乏阻礙了野生資源的有效利用。為解決這一問(wèn)題，西瓜基因組學(xué)研究必須包括更大的遺傳多樣性。2024 年這篇西瓜屬T2T 水平超級(jí)泛基因組論文的發(fā)表，代表了科研界對(duì)西瓜屬基因組理解和利用的重大飛躍。

   首先，這項(xiàng)研究將對(duì)西瓜基因組理解從“種”的水平提升到“屬”的水平。該研究涵蓋了西瓜屬全部的7 個(gè)種，其中包括6 個(gè)野生種和1 個(gè)栽培種，一共28 份材料的T2T 水平的基因組信息。“屬”水平的泛基因組相比已報(bào)道的栽培種基因組增加了399.2 Mb 的基因組序列和11,225 個(gè)基因，因此極大豐富了西瓜的基因資源庫(kù)。該研究鑒定了野生西瓜種大量新基因和結(jié)構(gòu)變異，為基因功能研究和育種應(yīng)用提供了寶貴的資源庫(kù)。

   其次，該研究加深了我們對(duì)西瓜進(jìn)化和馴化的理解。通過(guò)比較西瓜屬水平的基因組序列，進(jìn)化中的染色體重排事件和著絲粒組成結(jié)構(gòu)變化均是首次被準(zhǔn)確鑒定，這些染色體水平的遺傳變異揭示了當(dāng)前西瓜遺傳背景形成的復(fù)雜過(guò)程。其中對(duì)野生和栽培西瓜結(jié)構(gòu)變異的比較，為西瓜的進(jìn)化和馴化進(jìn)程提供了新證據(jù)，從而得到栽培西瓜物種形成的新假說(shuō)。

   更重要的是，這項(xiàng)研究將極大推動(dòng)西瓜抗病研究和育種改良進(jìn)程。研究種的一個(gè)亮點(diǎn)是從兩個(gè)野生種C. amarus（飼料西瓜）和C. mucosospermus（黏籽西瓜）中系統(tǒng)挖掘抗病基因，并利用雜交方式將目標(biāo)基因整合到栽培西瓜基因組中。與野生種的遠(yuǎn)緣雜交不僅增強(qiáng)了栽培西瓜的抗病性，同時(shí)還引入了新的遺傳多樣性，對(duì)于西瓜長(zhǎng)期可持續(xù)育種發(fā)展至關(guān)重要。

   總之，首個(gè)T2T 水平的西瓜屬超級(jí)泛基因組是令人興奮的研究成果。這項(xiàng)研究不僅為西瓜野生和栽培種的基因組提供了更加全面的理解，發(fā)現(xiàn)了一大批新基因，為優(yōu)良抗性基因的發(fā)掘和研究奠定了基礎(chǔ)，而且對(duì)將來(lái)的育種發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響，為更好利用野生資源改良育種指明了方向，有助于快速培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的新品種。

   國(guó)際葫蘆科作物大會(huì)終身成就獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)農(nóng)業(yè)部蔬菜實(shí)驗(yàn)室瓜類(lèi)遺傳資深研究員Amnon Levi博士亦給予高度評(píng)價(jià)：“It is an amazing and most detailed and beautiful work ever in watermelon - 這是西瓜上至今一項(xiàng)不可思議、最詳細(xì)和最完美的研究” 

   北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新平臺(tái)主要從事西瓜、甜瓜、黃瓜、南瓜和番茄等瓜菜作物種質(zhì)創(chuàng)新和品種選育工作。在研究院農(nóng)業(yè)組學(xué)大數(shù)據(jù)、生物技術(shù)等平臺(tái)的大力支持下，組建四年多以來(lái)，先后發(fā)布了首個(gè)西瓜T2T基因組（Mol Plant, 2022）和T2T西瓜屬超級(jí)泛基因組（Nat Genetics, 2024），利用創(chuàng)新的花粉EMS處理方法構(gòu)建了國(guó)際上首個(gè)西瓜EMS突變體庫(kù)（Mol Plant, 2022），搭建了西瓜枯萎病、蔓枯病等病害表型精準(zhǔn)鑒定平臺(tái)，挖掘了首個(gè)西瓜顯性雄性不育、隱性抗白粉病（TAG, 2024）等重要農(nóng)藝性狀基因，基于以上基礎(chǔ)研究全面開(kāi)啟了西瓜育種4.0時(shí)代。成功選育西瓜新品種7個(gè)，在第二屆中國(guó)（海南）國(guó)際西甜瓜發(fā)展大會(huì)暨“海南蜜瓜”品牌推介活動(dòng)會(huì)上共斬獲7個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括西瓜4個(gè)組別中的3個(gè)一等獎(jiǎng)。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)并實(shí)現(xiàn)了專利轉(zhuǎn)讓。與合作者江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所共同獲神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)1項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)研發(fā)成果引領(lǐng)了優(yōu)質(zhì)抗病西瓜品種潮流，為西瓜產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和鄉(xiāng)村振興提供了有力的科技支撐。