2月6日，南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院細胞遺傳研究所作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點實驗室小麥遺傳育種創(chuàng)新團隊在《Molecular Plant》雜志上發(fā)表了題為“A chromosome-scale genome assembly of Dasypyrum villosum provides insights into its application as a broad-spectrum disease resistance resource for wheat improvement”的研究論文。該研究以來自英國劍橋植物園的簇毛麥品系91C43為材料，通過小孢子培養(yǎng)和染色體加倍技術(shù)創(chuàng)制了簇毛麥雙單倍體91C43DH，利用三代測序輔以二代測序、BioNano和Hi-C技術(shù)，組裝出了該物種染色體水平的高質(zhì)量基因組序列，揭示了簇毛麥基因組的結(jié)構(gòu)特征和進化地位，闡明了抗白粉病重要性狀形成的分子機制，為小麥遺傳改良和廣譜抗病性研究提供重要遺傳資源。

  小麥野生資源蘊藏著很多優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病蟲、抗逆等優(yōu)異基因，是小麥遺傳改良的基因資源庫，可以通過遠緣雜交將其有益基因?qū)肫胀ㄔ耘嘈←溨袊谩４孛?Dasypyrum villosum，又名 Haynaldia villosa, 2n = 2x = 14.基因組VV)是小麥族、簇毛麥屬一年生異花授粉二倍體植物。早在上世紀80年代，南京農(nóng)業(yè)大學細胞遺傳研究所發(fā)現(xiàn)引自英國劍橋的簇毛麥91C43高抗白粉病，利用遠緣雜交和染色體工程，創(chuàng)造了攜帶白粉病基因Pm21的小麥-簇毛麥6VS/6AL易位系，成為我國小麥抗病育種主要抗源，育成了50余個小麥品種，相關(guān)研究獲得國家發(fā)明二等獎。此后研究還發(fā)現(xiàn)，簇毛麥兼抗多種病害，并且具有品質(zhì)相關(guān)優(yōu)良基因，但由于缺乏高質(zhì)量參考基因組，簇毛麥優(yōu)異基因挖掘效率較低，優(yōu)異性狀形成機制解析不夠。

  組裝完成的簇毛麥基因組為4.05 Gb，其中4.01Gb可以錨定到7條染色體上，染色體大小在454.00 Mb-690.48 Mb之間;注釋獲得39.727個高可信度基因(圖1)。系統(tǒng)進化分析表明，簇毛麥與普通小麥及二倍體祖先種的分化時間在約1.160萬年前，與黑麥最近。重復(fù)序列3.64 Gb，占全基因組的85.47%，其中長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(LTR-RT)對簇毛麥基因組擴張貢獻最大，而且簇毛麥LTR插入爆發(fā)時間大約發(fā)生在8萬年前，明顯晚于其他小麥族。

  研究發(fā)現(xiàn)，簇毛麥基因組在進化過程中，發(fā)生了4VL/5VL/7VS的復(fù)雜染色體結(jié)構(gòu)重排，涉及兩次易位事件(圖1G)。推測第一次易位事件與小麥A祖先種4AL/5AL的易位事件相同，4VL的末端(504.12-529.31 Mb)與5VL的末端(509.75-537.09 Mb)發(fā)生相互易位;第二次易位是簇毛麥特有的易位事件，7VS(0-62.15 Mb)末端與第一次易位事件中形成的4VL的末端(0-0.95 Mb)發(fā)生相互易位，這次易位可能在簇毛麥與小麥族其他物種分化過程中發(fā)揮重要作用。

  該研究在簇毛麥中鑒定出Gli-V1、Gli-V2、Gli-V3、Glu-V1和Glu-V3共5個種子儲存蛋白(SSP)位點。Glu-V1編碼1個高分子量麥谷蛋白基因(HMW-GS)。與小麥相比，4V上的Gli-V3是簇毛麥中特有的醇溶蛋白編碼基因位點。與小麥各亞基因組相比，位于1VS的Glu-V3位點編碼14個低分子量麥谷蛋白亞基(LMW-GSs)，數(shù)目發(fā)生了明顯的擴張。簇毛麥獨特的SSP位點的組成，可為小麥品質(zhì)改良提供重要遺傳資源。

  為揭示Pm21(NLR1-V)廣譜高抗白粉病的表觀基因組學基礎(chǔ)，利用MH-seq技術(shù)鑒定簇毛麥全基因組水平受白粉菌誘導的開放染色質(zhì)位點(MHSs)，在Pm21基因啟動子區(qū)域和3'UTR末端區(qū)域分別鑒定一個受白粉菌誘導富集的MHSs：MHS1和MHS2.分別包含兩個亞峰即MHS1.1和MHS1.2以及MHS2.1和MHS2.2.原生質(zhì)體瞬時轉(zhuǎn)化實驗發(fā)現(xiàn)MHS1/MHS1.1和MHS2/MHS2.2均可以驅(qū)動報告基因GFP的表達，并且在幾丁質(zhì)處理后，其驅(qū)動活性增強，證明MHS1.1和MHS2.2可能作為核心調(diào)控元件，調(diào)控Pm21的表達，在抗白粉病中發(fā)揮重要作用。

  南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院和作物遺傳和種質(zhì)創(chuàng)新國家重點實驗室為該論文第一完成單位，南京農(nóng)業(yè)大學博士研究生張旭為論文的第一作者，南京農(nóng)業(yè)大學王秀娥教授、肖進副教授為論文的共同通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學王海燕教授和張文利教授、上海市農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所陸瑞菊研究員和李穎波副研究員參與了本研究。研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金、現(xiàn)代作物生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省重點研發(fā)計劃和江蘇省小麥產(chǎn)業(yè)體系的資助。

2023年2月22日

來源：南京農(nóng)業(yè)大學