基于染色体级别基因组的野山参种质资源与药用品质评价SNP标记开发及遗传-化学整合评价模型构建

《Journal of Advanced Research》：Chromosome-level genome of wild-simulated Panax ginseng identifies SNP markers for germplasm and medicinal quality evaluation

本研究针对人参(Panax ginseng)长期栽培导致的种质混杂和品质退化问题，通过整合全基因组测序与化学指纹图谱技术，首次完成了野山参染色体级别基因组组装，揭示了其异源四倍体进化特征及三萜皂苷生物合成相关基因家族的显著扩张。研究构建了人参泛基因组，发现核心基因集占比达54.1%，表明高度遗传保守性；基于76份样本的重测序数据开发了105个特异性SNP标记，建立了遗传-化学联合评价模型，为人参种质鉴定和质量控制提供了可靠工具，推动了人参产业标准化进程。研究成果发表于《Journal of Advanced Research》。

　　

在传统中医药宝库中，人参(Panax ginseng C. A. Mey.)被誉为"百草之王"，具有补气固脱、健脾益肺、安神益智等功效。然而，随着全球需求量的激增，野生人参资源因森林砍伐和过度开采而濒临枯竭，栽培人参又面临种质混杂、品种退化导致的品质不一致问题。更复杂的是，人参作为异源四肽体(2n=4x=48)植物，具有高度杂合性和漫长的生长周期，传统育种方法难以满足现代产业对质量标准化的需求。

面对这些挑战，中国中医科学院中药研究所的研究团队开展了一项创新性研究。他们选取吉林(JA)和辽宁(FC)两个主产区的野山参为材料，利用PacBio HiFi、Illumina和Hi-C等技术，首次完成了野山参染色体级别基因组的组装。通过比较基因组学分析，揭示了人参皂苷生物合成相关基因家族的显著扩张模式和亚基因组分化特征。研究还构建了包含7个人参基因组的泛基因组，发现核心基因集占54.1%，表明人参具有高度遗传保守性。

这项研究最引人注目的突破在于将群体遗传分析与化学指纹图谱相结合，建立了遗传-化学联合评价模型。通过对76份来自8个不同地理来源的人参样本进行重测序和HPLC分析，研究人员发现遗传多样性高的群体（如抚松五里牌）化学稳定性较差，而遗传背景一致的群体（如宽甸）则表现出优异的化学一致性。这一发现为道地药材品质形成机制研究提供了新视角。

关键技术方法

研究采用多组学整合分析策略：1)利用PacBio HiFi和Hi-C技术完成野山参染色体级别基因组组装；2)基于76份来自吉林和辽宁8个产区的人参样本进行全基因组重测序；3)通过OrthoFinder进行13个物种的系统发育分析；4)构建包含7个人参基因组的泛基因组；5)采用HPLC分析6种人参皂苷(Rg₁、Re、Rb₁、Rc、Ro、Rd)含量。

基因组组装与注释特征

研究人员成功组装了JA和FC两个野山参基因组，大小分别为3.48Gb和3.46Gb，contig N50分别达到12.62Mb和3.37Mb。通过BUSCO评估显示基因组完整性均超过98.8%。重复序列分析发现LTR反转录转座子占基因组的80.77%，其中Gypsy和Copia家族分别占56.02%和7.32%。基因注释预测JA和FC分别含有76,934和76,377个蛋白编码基因。

亚基因组进化特征

通过k-mer和PCA分析将人参基因组解析为亚基因组A(1.96Gb)和B(1.52Gb)。亚基因组A具有更高的LTR-RT密度、更早的插入时间和较高的GC含量(35.49%)。LTR插入时间分析显示，Gypsy元件在0.21-1.4百万年前经历大规模积累，Copia元件主要在0.42-0.98百万年前插入。系统发育分析表明，人参与西洋参(P. quinquefolius)大约在644万年前分化，二者共同祖先与楤木(Aralia elata)在1383万年前分离。

同线性分析发现人参经历了三次多倍化事件：核心真双子叶植物γ三倍化、人参特异性Pg-β和Pg-α全基因组复制事件。亚基因组A和B显示出高度同线性，表明它们经历了近乎同步的全基因组复制事件。

遗传变异与泛基因组分析

SNP密度分析显示JA的两个单倍型间存在151,815个SNP，其中Chr12A密度最高(396个/Mb)，Chr06B最低(27个/Mb)。泛基因组分析发现核心基因组占54.1%，可替代基因组占44.2%，私有基因组仅占1.7%。与白菜(11.41%)、玉米(27.1%)等作物相比，人参表现出更高的核心基因比例，表明其遗传背景相对统一。

结构变异(SV)分析共鉴定出26,125个SVs，包括3,782个插入、5,351个缺失、254个倒位、1,358个易位和15,380个拷贝数变异，这些变异占总基因组长度的4.20%。

群体遗传结构分析

对76份人参样本的重测序共识别出39,294,162个SNPs。群体结构分析将样本分为三类：选育品系(种群I，n=52)、登记品种(种群II，n=15)和野山参(种群III，n=9)。核苷酸多样性(π)分析显示，登记品种和野山参具有较高的遗传多样性(π值分别为0.177和0.175)。通过筛选获得105个特异性SNP位点，能够有效区分三种类型的人参资源。

遗传-化学联合评价

HPLC指纹图谱鉴定出23个共有峰，包括6个人参皂苷特征峰。研究发现遗传均匀性(H_mean)与化学稳定性(S_p)呈显著正相关(ρ=0.965)。抚松五里牌(FSWL)群体遗传多样性最高，化学稳定性最差(RSD=32.94%)；宽甸(KD)群体遗传背景最一致，化学稳定性最佳(RSD=7.17%)。这一发现证实基因组多态性直接驱动人参化学性状变异。

研究结论与意义

该研究首次完成了野山参染色体级别基因组的组装，系统阐明了其异源四倍体起源的分化模式和各基因组重复序列的进化动力学。泛基因组分析揭示了人参核心基因簇的高度保守性，而群体遗传分析与化学指纹图谱的整合建立了一种新的人参种质资源评价体系。研究人员开发的分子标记系统和遗传-化学联合评估为种质鉴定和质量控制提供了可靠工具，推动了人参产业标准化进程。这些发现不仅为品种鉴定和质量控制提供了分子基础，也为药用植物基因组学研究和人参分子育种策略的优化提供了重要理论见解。

该研究的另一重要价值在于揭示了遗传多样性药用品质形成的内在关联。长期人工选择在降低遗传多样性的同时，可能增强了次生代谢产物的稳定性，这一发现为道地药材品质形成机制研究提供了新视角，为选择最佳栽培地点和符合中药材生产质量管理规范(GAP)的育种策略提供了科学依据。