小麦野生近缘物种簇毛麦基因组组装及抗白粉病分子机制研究方面取得新进展

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南京农业大学农学院细胞遗传研究所作物遗传与种质创新国家重点实验室小麦遗传育种创新团队在《Molecular Plant》杂志上发表了题为“A chromosome-scale genome assembly of Dasypyrum villosum provides insights into its application as a broad-spectrum disease resistance resource for wheat improvement”的研究论文。该研究以来自英国剑桥植物园的簇毛麦品系91C43为材料，通过小孢子培养和染色体加倍技术创制了簇毛麦双单倍体91C43DH，利用三代测序辅以二代测序、BioNano和Hi-C技术，组装出了该物种染色体水平的高质量基因组序列，揭示了簇毛麦基因组的结构特征和进化地位，阐明了抗白粉病重要性状形成的分子机制，为小麦遗传改良和广谱抗病性研究提供重要遗传资源。小麦野生资源蕴藏着很多优质、高产、抗病虫、抗逆等优异基因，是小麦遗传改良的基因资源库，可以通过远缘杂交将其有益基因导入普通栽培小麦中国利用。簇毛麦（Dasypyrum villosum，又名 Haynaldia villosa, 2n = 2x = 14，基因组VV）是小麦族、簇毛麦属一年生异花授粉二倍体植物。早在上世纪80年代，南京农业大学细胞遗传研究所发现引自英国剑桥的簇毛麦91C43高抗白粉病，利用远缘杂交和染色体工程，创造了携带白粉病基因Pm21的小麦-簇毛麦6VS/6AL易位系，成为我国小麦抗病育种主要抗源，育成了50余个小麦品种，相关研究获得国家发明二等奖。此后研究还发现，簇毛麦兼抗多种病害，并且具有品质相关优良基因，但由于缺乏高质量参考基因组，簇毛麦优异基因挖掘效率较低，优异性状形成机制解析不够。组装完成的簇毛麦基因组为4.05 Gb，其中4.01Gb可以锚定到7条染色体上，染色体大小在454.00 Mb-690.48 Mb之间；注释获得39,727个高可信度基因（图1）。系统进化分析表明，簇毛麦与普通小麦及二倍体祖先种的分化时间在约1,160万年前，与黑麦最近。重复序列3.64 Gb，占全基因组的85.47%，其中长末端重复反转录转座子（LTR-RT）对簇毛麦基因组扩张贡献最大，而且簇毛麦LTR插入爆发时间大约发生在8万年前，明显晚于其他小麦族。研究发现，簇毛麦基因组在进化过程中，发生了4VL/5VL/7VS的复杂染色体结构重排，涉及两次易位事件（图1G）。推测第一次易位事件与小麦A祖先种4AL/5AL的易位事件相同，4VL的末端（504.12-529.31 Mb）与5VL的末端（509.75-537.09 Mb）发生相互易位；第二次易位是簇毛麦特有的易位事件，7VS（0-62.15 Mb）末端与第一次易位事件中形成的4VL的末端（0-0.95 Mb）发生相互易位，这次易位可能在簇毛麦与小麦族其他物种分化过程中发挥重要作用。该研究在簇毛麦中鉴定出Gli-V1、Gli-V2、Gli-V3、Glu-V1和Glu-V3共5个种子储存蛋白（SSP）位点。Glu-V1编码1个高分子量麦谷蛋白基因（HMW-GS）。与小麦相比，4V上的Gli-V3是簇毛麦中特有的醇溶蛋白编码基因位点。与小麦各亚基因组相比，位于1VS的Glu-V3位点编码14个低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GSs），数目发生了明显的扩张。簇毛麦独特的SSP位点的组成，可为小麦品质改良提供重要遗传资源。为揭示Pm21（NLR1-V）广谱高抗白粉病的表观基因组学基础，利用MH-seq技术鉴定簇毛麦全基因组水平受白粉菌诱导的开放染色质位点（MHSs），在Pm21基因启动子区域和3"UTR末端区域分别鉴定一个受白粉菌诱导富集的MHSs：MHS1和MHS2，分别包含两个亚峰即MHS1.1和MHS1.2以及MHS2.1和MHS2.2。原生质体瞬时转化实验发现MHS1/MHS1.1和MHS2/MHS2.2均可以驱动报告基因GFP的表达，并且在几丁质处理后，其驱动活性增强，证明MHS1.1和MHS2.2可能作为核心调控元件，调控Pm21的表达，在抗白粉病中发挥重要作用。南京农业大学农学院和作物遗传和种质创新国家重点实验室为该论文第一完成单位，南京农业大学博士研究生张旭为论文的第一作者，南京农业大学王秀娥教授、肖进副教授为论文的共同通讯作者。南京农业大学王海燕教授和张文利教授、上海市农业科学院生物技术研究所陆瑞菊研究员和李颖波副研究员参与了本研究。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、现代作物生产省部共建协同创新中心、江苏省重点研发计划和江苏省小麦产业体系的资助。