柏連陽院士團(tuán)隊(duì)公布稻田雜草千金子基因組并揭示其在中國的傳播機(jī)制

2022年5月5日，湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院柏連陽院士團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)TOP期刊Molecular Plant（2021年IF=13.16，即時(shí)IF=21.0）在線發(fā)表題為“Genomic insights into the origin, adaptive evolution and herbicide resistance of Leptochloa chinensis, a devastating tetraploid weedy grass in rice fields”的研究論文。該論文首次公布了稻田惡性雜草千金子的染色體級別參考基因組，揭示了千金子的基因組特征及虎尾草亞科的進(jìn)化機(jī)制。鑒定到與除草劑耐受性有關(guān)的基因家族特異性擴(kuò)張，并揭示了中國千金子的群體結(jié)構(gòu)及傳播機(jī)制。

草害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中三大生物災(zāi)害之一。雜草種類多，危害大，每年導(dǎo)致世界糧食產(chǎn)量損失相當(dāng)于約10億人的口糧。我國糧食作物播種面積85%以上受雜草危害，每年造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1200億元。水稻是世界主要糧食作物，隨著輕簡化栽培方式的大面積推廣，稻田雜草出現(xiàn)種類增多、多發(fā)混發(fā)的趨勢，除了傳統(tǒng)惡性雜草稗草，千金子等種群逐漸演變?yōu)閮?yōu)勢種，在中國南方部分直播稻區(qū)，千金子已經(jīng)演化成為第一大惡性雜草。生產(chǎn)上適用于防除千金子的除草劑不多，主要是氰氟草酯、噁唑酰草胺等ACCase類除草劑，長期連續(xù)使用導(dǎo)致千金子已普遍產(chǎn)生了抗藥性，進(jìn)一步增大了其防治難度。

該研究公布了千金子的染色體級別參考基因組和中國千金子的遺傳變異圖譜。研究發(fā)現(xiàn)四倍體千金子基因組約在1090萬年前由兩個(gè)二倍體祖先結(jié)合形成，作者首次對千金子的兩套亞基因組進(jìn)行了劃分，研究表明千金子的兩套亞基因組既沒有發(fā)生分離偏好性也沒有發(fā)生亞基因組表達(dá)量的偏好性。通過比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，千金子從其虎尾草亞科共同祖先分離出來后，發(fā)生了大量的染色體重排，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，千金子中許多抗除草劑相關(guān)基因來源于千金子的四倍化。

對89份來自中國的千金子進(jìn)行群體基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，來自中國南部和西南部省份的千金子的核苷酸多樣性顯著高于長江中下游地區(qū)的千金子。表明千金子在中國的傳播路徑很有可能是由南部，西南部省份傳向長江中下游地區(qū)。在這一傳播過程中，千金子表現(xiàn)出越來越強(qiáng)的抗除草劑能力，并有大量抗除草劑相關(guān)基因受到了選擇。

本研究首次發(fā)布了稻田惡性雜草千金子的染色體級別參考基因組和中國千金子的遺傳變異圖譜，為千金子的精準(zhǔn)防控提供了基因組資源。并在基因組水平對千金子的起源、抗藥性和適應(yīng)性進(jìn)化上進(jìn)行了深入的分析和挖掘。

研究團(tuán)隊(duì)之前對千金子抗藥性進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究，明確了千金子對除草劑氰氟草酯的靶標(biāo)抗性突變位點(diǎn)，針對性開發(fā)了靶標(biāo)酶特異性分子快速檢測方法，并挖掘了非靶標(biāo)抗性的相關(guān)基因及代謝通路，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Weed Science、BMC Genomics等專業(yè)國際期刊。

湖南農(nóng)科院副研究員王立峰，助理研究員彭亞軍，在讀博士研究生陳克，浙江農(nóng)林大學(xué)孫學(xué)鵬教授和康奈爾大學(xué)吳珊博士為該論文的共同第一作者。湖南農(nóng)科院柏連陽院士、劉都才研究員和康奈爾大學(xué)費(fèi)章君教授為該論文的通訊作者。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、湖南省重大科技專項(xiàng)、長沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計(jì)劃、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家等經(jīng)費(fèi)的資助，同時(shí)也得到了雜交水稻國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、雜草生物學(xué)及安全防控湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。