葱属作物是仅次于番茄的世界性蔬菜经济作物，因其富含独特的辛辣风味物质常被用于蔬菜、调味品或药用植物在全球范围内广泛栽培。长期以来，因大基因组特性，限制了其功能基因、基因组生物学和分子育种研究，特别是其遗传和亲缘关系不清、基因组进化和特殊风味形成的分子代谢基础一直未被解析。近日，浙江大学农学院喻景权/张明方／周艳虹教授团队合作在知名自然子刊Nature Communications发表了“Chromosome-level genome assembly of bunching onion illuminates genome evolution and flavor formation in Allium crops”的研究长文。

该研究采用中国、日本、韩国、美国、欧洲、俄罗斯、中亚西亚等地理来源的葱属植物资源，首次从头组装了分葱染色体水平的基因组，通过群体遗传学、分子进化和比较基因组研究，结合多组学方法揭示了葱属植物基因组进化、染色体同源性、关键基因家属扩张及其特殊辛辣风味形成的基因组基础，从基因组水平上明确了中国是分葱大葱起源和驯化中心。该成果为葱属植物进化生物学研究、基因组育种和分子改良提供了重要科学理论指导。

该研究利用PacBio, Bionano和HiC等综合技术，组装了迄今最高质量的染色体级别的基因组。比较基因组研究发现葱和洋葱在大约700多万年前发生了分化，而大蒜与葱和洋葱的共同祖先在大约1600万年前发生分化，与大蒜类似，大葱在葱属物种彼此分化之前也发生了3次全基因组复制事件，共线性分析表明三个葱属作物基因组染色体具有高度同源性，且进化上彼此接近。研究发现，与特殊风味相关的硫化合物生物合成相关的基因家族在三个葱属植物中显著扩张，其长末端重复序列LTR（尤其Gypsy）的积累是导致葱属植物基因组扩张的主要原因，不同LTR分支的不均匀扩张导致了葱属基因组成分的多样性；广泛存在的散在重复（DSD）事件是葱基因组中基因扩增和分化的原因。同时发现葱属植物风味形成关键物质半胱氨酸亚砜（ACSO）合成与代谢的两个关键基因家族-蒜氨酸酶ALL和催泪因子合成酶LFS在葱属基因组中发生了大量扩张（图1a，d），其在不同葱属植物中呈现独特的扩张模式与表达模式(图1b)，洋葱和葱种的风味物质主要为异大蒜素，而大蒜主要为大蒜素（图2c）；发现了葱属作物与特殊风味形成相关的LFS和ALL家族基因在进化过程中发生了显著扩张、功能分化与冗余现象。

图1 葱属植物中硫化物代谢相关基因的大量复制和分化

研究还揭示了葱的起源和驯化途径。长期以来，葱属植物的形态、染色体数目和核型相似性导致分类地位不清，存在大量同种异名、同名异种现象。该研究利用基因组学和群体遗传学等方法，解析了葱属植物种群分化和驯化历史，纠正了学术界长期以来认为阿尔泰葱为葱的祖先种的学术论断，明确了阿尔泰葱在进化上更接近于中国红葱。不同地理起源的植物葱资源可分为2个种群和5个亚群（图2a, b），发现并验证了栽培葱主要起源于中国西北地区，并提出了葱从中国西部地区向中亚地区陆地传播以及栽培葱在中国驯化后再从我国南方地区向日本、欧洲、美洲扩散的海上迁移路径。

图2 葱属植物群体遗传结构与驯化传播路径

浙江大学农学院喻景权教授、张明方教授、周艳虹教授为论文的通讯作者，浙江大学廖南峤博士、胡仲远副教授、潍坊科技学院苗锦山教授、诺禾致源生物信息所胡晓笛博士为论文的共同第一作者。该研究得到了农业部现代农业产业技术体系（CARS-24-B-01）和中央高校基本科研业务费专项经费（+226−2022-00100）的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34491-3