花生，这种我们日常生活中常见的坚果，不仅是美味的零食，更是重要的油料和食用豆类作物。在农业领域，花生的种子大小和重量是影响其产量和品质的关键因素，与花生的驯化和育种紧密相连。然而，长期以来，科学家们对于调控花生种子大小和重量的分子机制却知之甚少，基因组中的结构变异（SVs）在这一过程中究竟扮演着怎样的角色，一直是个未解之谜。同时，由于花生是异源四倍体作物，其基因组组装难度大，现有基因组存在诸多缺口，高质量的基因组资源匮乏，这也严重阻碍了对花生遗传特性的深入研究。在此背景下，开展一项全面深入的研究来揭示花生种子大小和重量的遗传基础迫在眉睫。

为了攻克这些难题，来自河南农业大学、上海交通大学、山东省农业科学院以及澳大利亚默多克大学等机构的研究人员携手合作。他们精心收集了大量花生样本，通过一系列前沿研究，成功构建了花生泛基因组，并深入剖析了其中的结构变异与种子性状之间的关系 。相关研究成果发表在《Nature Genetics》上，为花生遗传改良和作物科学发展带来了新的曙光。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，对 269 份具有不同种子大小的花生种质进行重测序，获取海量基因组数据。然后，结合 Nanopore 超长读长、PacBio HiFi 和 Hi-C 等技术，对 8 个代表性花生品种进行高质量基因组组装。此外，通过多种生物信息学工具进行单核苷酸多态性（SNP）检测、群体遗传分析、结构变异检测和基因注释等工作，全面解析花生基因组。

下面来详细看看具体的研究结果：

1. 269 份不同种子大小种质的遗传多样性：研究人员收集了约 8TB 的重测序数据，涉及 269 份来自不同群体的花生种质。通过分析，获得 5,989,854 个高质量 SNP。系统发育树和主成分分析（PCA）显示，野生和栽培花生种质存在明显分化，在驯化过程中，花生种子大小和重量显著增加。此外，研究还发现 A、B 亚基因组在遗传多样性和进化上存在差异，暗示了两者在驯化过程中的不对称性。

2. 构建具有不同荚果大小的高质量泛基因组：选取 8 个具有代表性的花生品种构建泛基因组，这些品种涵盖了不同的荚果大小。新测序的 6 个品种基因组质量高，其支架 N50 值、重叠群 N50 值等指标表现优异。花生泛基因组由 50,097 个基因正交群组成，包括核心、软核心、分布和私有基因家族。研究发现新组装的基因组具有更多基因家族，且构建的泛基因组具有封闭性。不同类型基因家族在染色体上的分布、基因长度、表达水平和功能富集等方面存在差异 。

3. SVs 对基因表达的潜在影响：利用基于组装和基于读长的 SV 检测方法构建图论泛基因组，从 8 个花生基因组组装中鉴定出 86,308 个高可信度的 SVs，主要类型为插入和缺失。SVs 在 A 亚基因组中比 B 亚基因组更多，且在染色体上分布不均。部分 SVs 与基因或其上下游区域重叠，能够影响基因表达，例如在具有最大荚果的 ZP06 品种中，多个基因的 SVs 改变了基因结构或表达水平。

4. 驯化过程中与性状相关基因的选择清除：通过全基因组选择清除分析，研究人员确定了 1,335 个与驯化相关的 SVs，这些 SVs 重叠 329 个基因。在驯化过程中，不同染色体区域受到选择，A、B 亚基因组中与驯化相关的基因在功能上存在差异。同时，研究还发现一些与果实大小和抗病性相关的基因，为进一步研究花生驯化提供了重要线索。

5. CKX6 基因中的 SVs 促进种子膨大：通过 SV - GWAS 分析，研究人员发现与种子重量显著相关的 SV 位于 AhCKX6 基因的 3′ - UTR 区域。该基因编码细胞分裂素氧化酶 / 脱氢酶（CKX），参与细胞分裂调控。在大种子品种中，AhCKX6 基因的 3′ - UTR 存在插入，导致其表达水平降低，细胞分裂素积累增加，进而促进种子早期细胞分裂，使种子变大。

6. AhARF2 - 2 负调控种子大小：研究鉴定出 73 个与种子大小相关的 SVs，其中 AhARF2 - 2 基因的外显子 SV 与种子长度显著相关。在大种子品种 ZP06 中，AhARF2 - 2 基因存在缺失和插入，导致其功能改变。AhARF2 - 2 通过与 AhIAA13 和 TOPLESS 相互作用，负调控 AhGRF5 的表达，进而影响种子大小。在大种子品种中，AhARF2 - 2 无法正常与 AhIAA13 和 TOPLESS 相互作用，对 AhGRF5 的抑制作用减弱，从而促进种子膨大。

研究结论和讨论部分表明，该研究成功构建了花生泛基因组，全面解析了花生基因组变异，为花生种子大小和重量等关键农艺性状的遗传机制研究提供了重要资源。研究发现的与种子性状相关的 SVs 和基因，有助于深入理解花生驯化过程，为后续分子育种提供了潜在靶点。不过，研究也存在一定局限性，如四倍体野生花生样本量有限。总体而言，这项研究成果为花生遗传改良和作物科学发展奠定了坚实基础，有望推动全球粮食安全事业的进步。