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近日，《Nature》杂志发表了题为“Solanum pan-genetics reveals paralogues as contingencies in crop engineering”的突破性研究，来自冷泉港实验室和约翰霍普金斯大学的Zachary B. Lippman团队成功构建了茄属植物（Solanum）的泛基因组图谱，涵盖22个物种，包括番茄、马铃薯、茄子等全球主粮作物及13种非洲、南美本土作物。这项研究不仅揭示了茄属植物基因组的进化奥秘，更发现了一个影响作物工程的关键因素——重复基因的动态演化可能成为性状预测的“隐形关卡”。
核心发现：基因重复的“进化陷阱”
研究团队通过高精度基因组测序和功能分析发现，茄属植物在进化过程中频繁发生基因重复事件，但这些重复基因（旁系同源基因）的命运却大相径庭：
冗余备份：部分重复基因保留原有功能，形成“备份系统”。
分工协作：基因功能分化为不同组织或发育阶段服务（如某些防御基因）。
悄然退场：假基因化或完全丢失，导致功能冗余性消失。
典型案例：调控果实大小的关键基因CLV3在茄属中经历了复杂的重复历史。例如，非洲茄子通过CLV3的重复补偿了其祖先基因CLE9的丢失，但后续的假基因化又使补偿失效。这种动态变化导致同一基因在不同物种中的功能效应难以预测。
技术突破：从基因组到田间验证
研究团队整合了多项前沿技术：
泛基因组构建：利用PacBio长读长测序和Hi-C技术，完成22个物种染色体级别组装，平均基因组质量值（QV）>53，为迄今最完整的茄属基因组资源库。
多组学分析：结合240个组织样本的转录组数据，将旁系同源基因分为四类表达模式（剂量平衡、主导表达、功能分化、完全分化），揭示其动态调控网络。
基因编辑验证：通过CRISPR技术敲除非洲茄子、番茄等物种的CLV3基因，证实重复基因的剂量效应直接影响果实室数，且不同物种间存在显著差异。
应用价值：本土作物的精准改良之路
研究以非洲茄子为案例，解析了其果实大小的遗传机制：
“多基因协作”模式：不同于番茄中CLV3单基因主导，非洲茄子的室数受CLV3、丝氨酸羧肽酶基因（SCPL25）等多个位点协同调控。
结构变异驱动进化：非洲茄子栽培种中发现了CLV3的大片段缺失融合突变，这一自然变异为人工设计提供了新思路。
研究意义：
揭示育种“背景依赖”难题：同一基因在不同物种或品种中可能因重复基因的存在产生迥异表型，传统“基因直推”策略需重新评估。
助力气候智能型农业：本土作物（如非洲茄子）的基因组资源将加速抗逆、高产品种培育，提升农业生物多样性。
未来展望：构建作物工程的“进化导航”
论文通讯作者Zachary Lippman教授指出：“未来的作物设计需像导航软件一样，动态追踪基因重复的历史路径。”研究团队呼吁：
建立跨物种泛基因组数据库，预判旁系同源基因的互作效应。
开发AI模型整合基因组进化与表型数据，实现精准性状预测。
加强科学家与本土社区合作，尊重传统知识，推动可持续农业。
结语：
这项研究不仅为茄科作物改良提供了“基因地图”，更警示我们：自然进化中基因重复的“随机性”可能成为人工设计的“暗礁”。唯有深入解析生命演化的底层逻辑，方能驾驭基因编辑的航船，驶向农业创新的星辰大海。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08619-6
数据开放：基因组资源已公开于Solanaceae Genomics Network（https://solgenomics.net/）
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