南京農業大學農學院王秀娥教授團隊在小麥野生近緣物種簇毛麥基因組組裝及抗白粉病分子機制研究方面取得新進展

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2月6日，南京農業大學農學院細胞遺傳研究所作物遺傳與種質創新國家重點實驗室小麥遺傳育種創新團隊在《Molecular Plant》雜志上發表了題為“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，通過小孢子培養和染色體加倍技術創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，組裝出了該物種染色體水平的高質量基因組序列，揭示了簇毛麥基因組的結構特征和進化地位，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質、高產、抗病蟲、抗逆等優異基因，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導入普通栽培小麥中國利用。簇毛麥（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，南京農業大學細胞遺傳研究所發現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，相關研究獲得國家發明二等獎。此后研究還發現，簇毛麥兼抗多種病害，并且具有品質相關優良基因，但由于缺乏高質量參考基因組，簇毛麥優異基因挖掘效率較低，優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。重復序列3.64 Gb，占全基因組的85.47%，其中長末端重復反轉錄轉座子（LTR-RT）對簇毛麥基因組擴張貢獻最大，而且簇毛麥LTR插入爆發時間大約發生在8萬年前，明顯晚于其他小麥族。

研究發現，簇毛麥基因組在進化過程中，發生了4VL/5VL/7VS的復雜染色體結構重排，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），數目發生了明顯的擴張。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，利用MH-seq技術鑒定簇毛麥全基因組水平受白粉菌誘導的開放染色質位點（MHSs），在Pm21基因啟動子區域和3"UTR末端區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。原生質體瞬時轉化實驗發現MHS1/MHS1.1和MHS2/MHS2.2均可以驅動報告基因GFP的表達，并且在幾丁質處理后，其驅動活性增強，證明MHS1.1和MHS2.2可能作為核心調控元件，調控Pm21的表達，在抗白粉病中發揮重要作用。

南京農業大學農學院和作物遺傳和種質創新國家重點實驗室為該論文第一完成單位，南京農業大學博士研究生張旭為論文的第一作者，南京農業大學王秀娥教授、肖進副教授為論文的共同通訊作者。南京農業大學王海燕教授和張文利教授、上海市農業科學院生物技術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計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金、現代作物生產省部共建協同創新中心、江蘇省重點研發計劃和江蘇省小麥產業體系的資助。