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20萬年前雜交形成的異源四倍體。歷經茄科的三倍化事件和該異源四倍化事件，栽培煙草基因組經歷了多次擴張、幾乎所有基因都有2-6個拷貝。獨特的演化歷史造就了栽培煙草豐富的次生代謝產物、表型多樣性和龐大的生物量，使其成為了遺傳學研究的經典模式植物、合成生物學的重要底盤植物和全球重要的經濟作物。然而林煙草和絨毛煙草分化時間較短、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確聯會確保減數分裂的順利進行的？同一基因的多個拷貝的劑量效應是如何調節的？它們又是如何協同調控復雜性狀變異的？在多倍體作物遺傳改良中如何應對和利用多拷貝基因帶來的性狀遺傳調控復雜性，實現多倍體作物高效快速改良？這一系列科學問題長期困擾著植物學、數量遺傳學和作物遺傳育種等多個領域，已經連續多年成為了幾個領域共同關注和交叉研究的前沿熱點。

近日，中國農業科學院煙草研究所聯合北京生命科技研究院、中國科學院植物研究所、中國農業科學院深圳基因組研究所、丹麥奧胡斯大學、菲律賓國際水稻所等多家科研機構，在國際頂尖期刊《自然·遺傳學》（Nature Genetics）發表題為“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調控機制，構建了全球最大規模的煙草種質資源基因組變異圖譜和基因型-表型關聯育種導航圖譜，發現了調控葉型發育的關鍵基因和育種過程中表型和基因組的演化規律，該研究奠定了煙草智慧育種的基礎，為小麥、棉花等多倍體作物的基因組設計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同調控復雜性狀的奧秘

為解析栽培煙草亞基因組演化與同源基因表達調控機制，研究團隊通過三代基因組測序技術、染色質構象捕獲技術、染色質免疫共沉淀測序技術、轉錄組和表觀組測序等多組學分析技術，繪制了栽培煙草中煙300及其兩個祖先種的完美基因組圖譜，發現染色體重排事件是穩定四倍體減數分裂的關鍵因素，且重排后T亞基因組在進化中經歷了更快的遺傳變異和重復序列丟失。進一步研究發現，表觀遺傳修飾（DNA甲基化）主導了亞基因組間基因表達的協同與分化。S亞基因組中部分基因通過降低甲基化水平顯著上調表達，而對應的T亞基因組則通過相反的表觀調控抑制同源基因活性。這種精準的表觀遺傳調節實現了兩個亞基因組同源基因表達的“此消彼長”，使得兩個亞基因組在抗病性、開花時間、葉片形態等復雜性狀調控中貢獻不均——T亞基因組主導抗病性，S亞基因組則更多影響發育性狀，從而揭示了多倍體作物“亞基因組功能分化”的表觀調節機制以及亞基因組協同調控復雜性狀的分子遺傳規律。

揭示不同類型煙草分化的基因組學基礎，突破種質創新的理論邊界

栽培煙草按照用途和后期調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特征存在明顯差異，長期以來烤煙新品種選育的親本組配只在烤煙內開展，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基礎，拓寬新品種的遺傳背景，團隊對國家煙草種質資源庫收錄的全球5196份煙草種質資源（涵蓋烤煙、曬煙、雪茄煙、香料煙等類型）開展了簡化基因組測序。發現不同類型煙草之間的遺傳分化很?。‵st 0.04-0.23）。盡管烤煙和曬煙表型和品質特征差異較大，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動因素可能是由少數幾個基因和性狀導致的，從理論上講不同類型煙草間可以開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”、構建從基因型到表型的煙草育種導航圖

作為一種特殊的經濟作物，煙草的經濟價值和使用價值主要取決于品質特征，育種目標是在提高品質的同時兼顧產量和抗性。由于栽培煙草經歷了茄科的三倍化事件和異源四倍化，決定品質特征的次生代謝產物異常豐富，萜烯類、黃酮類、胡蘿卜素類、糖脂等多個成分均與品質有關。因此，當前煙草品質改良并沒有明確的靶標物質。同時煙草的產量、株型、抗性都為多基因控制的復雜性狀，沒有明確的基因靶點可以操縱。缺乏靶標和靶點，導致當前煙草育種仍然依賴于大規模的田間選擇和感官評吸，極大地限制了品種改良的效率。

為明確育種的靶標和靶點、提高品種改良的效率，本研究探究了煙草育種過程中45個性狀的變化規律，發現從農家種到引進品種再到我國育成品種中葉寬、總糖、還原糖等性狀不斷提升，而蛋白含量則逐漸下降，表明這些物質可能在品種選育的過程中受到了選擇。其次，為進一步解析煙草復雜性狀的遺傳基礎，本研究通過全基因組關聯分析（GWAS），鑒定到控制產量、株型、抗性、化學成分等39個性狀的178個遺傳位點，構建了最為全面的煙草分子育種導航圖。這相當于在擁有4.5億個靶點的煙草基因組上安裝了導航系統，使得育種家可以精確制導、同時操縱多個復雜性狀，極大促進了多性狀聚合改良的效率。再次，研究發現煙草基因組在育種過程中有明顯的多基因適應特征。例如，本研究鑒定到229個與葉片糖含量相關的微效基因，解釋了95%以上糖含量的變異。在現代栽培品種中其中86個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。該結果從理論上證實了通過全基因組選擇改良煙草復雜性狀的可行性。此外，研究還圖位克隆了調控煙草葉寬的關鍵新基因Arf9，通過基因編輯技術敲除該基因，其成熟期中部葉寬度可增加6厘米，進一步研究發現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，從而導致了葉型改變。這一發現不僅為分子設計育種提供新靶點，也為其它農作物葉型改良提供新思路。

開啟數據驅動的煙草智慧育種新篇章

中國農業科學院煙草研究所煙草種質資源與生物育種創新團隊多年來秉持“做源頭創新，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，建設了貫通煙草種質資源、智慧育種、抗病育種、品質育種、基因資源多元化利用、品種試驗示范的煙草全鏈條創新攻關隊伍；建設有國家煙草改良中心、全球煙草種質資源數量最多的“國家煙草種質資源中期庫”和煙草行業煙草種質資源平臺和全國烤煙新品種區域試驗網絡；開發了針對煙草主要病害的分子標記輔助聚合育種技術體系、針對煙草復雜性狀的全基因組模塊化育種技術和全基因組選擇育種技術體系，選育出一系列突破性煙草新品種。隨著組學大數據、基因編輯與人工智能的融合，團隊目前正著力構建“大數據×智能設計×基因編輯”三位一體的新一代煙草生物育種技術體系，逐步實現煙草低焦油、高油分、高香氣、多抗、適產等復雜性狀協同提升的育種目標，開啟煙草品種選育新篇章。

該項研究成果是首篇在國際頂尖期刊《自然·遺傳學》（Nature Genetics）上發表的煙草基因組演化和復雜性狀調控機制論文，得到了編輯和專家的高度認可。審稿專家認為：“這項研究不僅為煙草遺傳學研究和復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計育種進程”。

中國農業科學院煙草研究所煙草種質資源與生物育種創新團隊昝艷君特聘研究員、陳帥助理研究員、劉國祥副研究員、任民副研究員、博士研究生劉昱彤為論文共同第一作者，中國農業科學院煙草研究所煙草種質資源與生物育種創新團隊楊愛國研究員、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，國際水稻研究所葉國友研究員、丹麥奧胡斯大學房靈昭教授、中國科學院植物研究所董陽研究員參與了該項研究工作。該項研究得到中國農業科學院科技創新工程、中國煙草總公司基因組計劃與生物育種重大科技項目、農業農村部煙草種質資源平臺、中國農業科學院青年英才專項、山東省泰山學者青年專家和山東省海外優秀青年科學基金等項目的資助。

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https://www.nature.com/articles/s41588-025-02126-0

來源：中國農業科學院煙草研究所