普通小麦（AABBDD, Triticum aestivum L.）是产量最高的作物之一，约在3500-4000年前传入中国，推动了农业实践的重大转变，并逐渐取代小米，成为仅次于水稻的主要粮食作物。中国复杂的生态系统，包括春耕与冬耕、雨养与灌溉、一季与两季的差异，不断推动着丰富的遗传多样性的创造和保持。小麦品种如何适应中国广阔的地形，以及它们如何根据变化的气候条件和驯化需求而进化，引起了植物学家和育种家的注意。此外，不同的饮食文化也在改变小麦的育种历史。基于此，筛选对中国现代小麦育种产生重大贡献或具有独特性状的小麦资源进行泛基因组研究，可以为理解小麦的生境适应性与育种的协同性架起桥梁。
11月28日，顶级期刊Nature 在线发表了题为《Pan-genome bridges wheat structural variations with habitat and breeding》的研究论文。该研究通过17个小麦品种泛基因组分析，发现了大量结构变异，特别是1980年代以来品种中显著积累的变异，与当时育种计划中广泛引入欧洲和美洲品种有关。研究还揭示了小麦从春型向冬型进化的基因变异和复制，以及与饮食偏好、迁移和文化融合相关的品种变化。此外，研究还发现了小麦基因组中pSc200串联重复的大量存在或缺失变异，表明其在小麦基因组中的快速进化，为未来的基因组辅助育种提供了重要平台。
图1 文章发表信息
构建小麦泛基因组
研究者选择了涵盖1950 - 1960年代、1980 - 1990年代和2000年后等不同育种阶段的17个小麦品系进行HiFi测序组装，组装基因组大小为14.6Gb-15.1Gb，平均contig N50为27.36Mb；平均基因注释数目为153077个，结合多种评估方法证实了组装的小麦基因组都达到了参考基因组水平。随后，通过整合17个新组装的基因组和4个已发布的基因组（Chinese Spring、Fielder、Kariera和Attraktion），研究者总共识别了170517个潜在的基因家族，其中111955个（65.66%）为核心基因家族，12486个（7.32%）为次核心基因家族，剩余的46076个（27.02%）为非核心基因家族。核心基因主要与基本代谢相关，而非核心基因主要涉及植物抗性调节等途径。
研究者特别关注了NLR（核苷酸结合富含亮氨酸重复）基因家族的拷贝数变化。发现1980-1990年代发布的品种，如XY6和YM158，展示了最高的NLR基因数量。CC-NBARC-LRR基因的拷贝数随时间略有下降，而其他基因，包括NBARC-LRR，变化不大。
图2 小麦泛基因组分析
分析小麦泛基因组中的SV事件
通过将17个新组装的基因组与中国春小麦参考基因组比较，研究者们鉴定了总共249,976个SVs，其中包括119,331个存在变异和116,046个缺失变异，以及13,550个易位事件和1,049个倒位事件。49.03%的SVs超过5 kb，平均基因长度为2.99 kb。不同时期的小麦品种中SVs的数量从老品种到新品种逐渐增加，1980年代以来发布的品种中SVs的积累尤为显著。此外，研究者进一步关注PAVs与着丝粒区域重组之间的关系。研究发现，接近着丝粒区域的PAVs与重组事件的减少显著相关。在几乎所有染色体的核心着丝粒区域，与参考品种中国春相比，检测到高数量的PAVs。这些发现与人类中的情况相似，表明PAVs的存在与着丝粒附近区域的重组减少显著相关。
图3 着丝粒-近端区的PAV停止交叉重组
泛基因组助力解析小麦适应性与育种相关性状
VRN-A1基因的进化：研究者们关注了在育种过程中被选择的SVs。通过GWAS分析，他们发现了控制春化反应（春型或冬型）的基因VRN-A1，以及调节小麦硬度的两个puroindoline（PIN）基因（Pina和Pinb）。研究发现，VRN-A1基因的拷贝数与小麦的生态型相关，强冬型品种如JM22含有比冬小麦如YM158和春小麦如NC4更多的VRN-A1基因拷贝。
PIN基因变异与谷物硬度：GWAS分析显示，Pina和Pinb基因区域与谷物硬度有明确的关联信号。研究发现，具有野生型等位基因的品种产生较软的谷物，而突变等位基因的品种产生明显较硬的谷物。中国品种中PIN等位基因的多样性高于西方品种，这可能表明PIN基因在不同地区对谷物硬度的选择和利用不同。
1RS易位的检测：1RS·1BL易位因其与产量高和对白粉病及黄锈病的良好抗性而在中国小麦育种计划中受到欢迎。研究发现，与1BS在中国春参考基因组中的比较，1RS·1BL易位品种在1RS近着丝粒区域存在一个易位相关的倒位。
图4 VRN-A1位点的重复与小麦冬春分化有关
综上，通过选取横跨小麦育种历史、有特殊性状的小麦种质资源进行泛基因组分析，并将泛基因组分析与小麦生境适应性、育种相关性状联合起来，此研究为小麦乃至作物泛基因组研究提供新的生物学故事，可以称之为“最有趣的小麦泛基因组研究”。本研究的主要亮点总结如下：
1.泛基因组的重要性：泛基因组研究揭示了小麦中存在的重要基因，特别是在存在或缺失变异（PAV）区域中的基因。这些基因的发现和利用对于小麦育种至关重要。
2.小麦的进化和适应：小麦在传播到欧洲和东亚后，在不同的生态环境中继续进化。遗传渗透和地理种群间的杂交促进了基因组结构变异的积累，形成了具有地理特征的基因组景观。
3.着丝粒附近的重组抑制：DNA和组蛋白蛋白质在着丝粒区域通常高度甲基化和乙酰化，以维持转座因子的沉默。研究者们发现，品种间PAV的存在与育种中交叉重组的减少相关。
4.VRN-A1基因的适应性变异：研究者们观察到VRN-A1基因的拷贝数变异和表达效应，这为理解小麦如何适应广泛的环境条件提供了基础。特别是，VRN-A1基因的复制与小麦的春化反应和对全球变暖的适应有关。
5.谷物硬度与食品文化：谷物硬度位点是影响小麦质地和最终用途加工质量的两个主要位点之一。中国北方和南方人群在食品文化上的差异导致了对Pina和Pinb基因选择和偏好的明显区别。
6.1RS·1BL易位的成功应用：1RS·1BL易位是全球小麦改良中最成功的外来易位之一。研究者们发现，1RS在小麦基因组中正在经历快速进化，这为新的变异提供了机会。
7.Ae. tauschii在小麦育种中的潜力：通过比较CM42与中国春小麦，研究者们发现了来自Ae. tauschii的大片段渗入，这进一步证实了Ae. tauschii在小麦育种中的巨大潜力和价值。
参考文献：
Jiao, C., Xie, X., Hao, C. et al. Pan-genome bridges wheat structural variations with habitat and breeding. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08277-0
撰稿 | 郭孟齐
