小麦是全球重要的粮食来源之一，全世界35%~40%的人口以它为主要粮食，其产量和品质直接关系到世界粮食安全。由于长期的定向选择，小麦遗传多样性不断降低，限制了产量和品质的进一步提升。小麦野生资源种类繁多、遗传基础丰富，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。育种实践表明，通过远缘杂交把小麦野生近缘属的有益基因导入普通栽培小麦利用，在世界小麦育种中发挥了重要的作用。
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，此后利用远缘杂交和染色体工程，创造了硬粒小麦-簇毛麦双二倍体、二体异附加系和易位系，发现并定名抗白粉病基因Pm21，携带Pm21的小麦-簇毛麦6VS/6AL易位系兼抗条锈病（Yr26，位于来自硬粒小麦的1B上），成为我国小麦抗病育种主要抗源（Chen et al.,1995），育成了50余个小麦品种，相关研究获得国家发明二等奖。在簇毛麦中还发现有抗黄花叶病毒病基因、抗条锈病、秆锈病和新的抗白粉病基因，以及与强筋、弱筋品质相关的基因，簇毛麦生长繁茂、多小花等特性可能在产量性状相关基因发掘中也有重要价值。利用染色体分拣、转录组等策略，在簇毛麦中克隆了Pm21（He et al.,2018, Xing et al.,2018）、STPK-V（Cao et al.,2011）、CMPG1-V（Zhu et al.,2015）、LecRK1-V（Wang et al.,2018）、HIPP1-V（Wang et al.,2023）、RLK-V（Hu et al.,2018）等抗白粉病相关基因，初步研究了抗性机制。但相对于簇毛麦丰富的优异基因和重要的潜在利用价值，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，优异性状形成的分子机制解析不够。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.12.021
2022年12月30日，南京农业大学农学院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杂志上在线发表了题为“A chromosome-scale genome assembly of Dasypyrum villosum, a genetic resource for wheat improvement, provides insights into its broad-spectrum disease resistance”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，通过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。
Figure 1. Plant, spike, grain morphology, karyotype and genome landscape of D. villosum 91C43DH.
图1 簇毛麦植株、穗型、籽粒、染色体核型和基因组组装结果
簇毛麦基因组组装大小为4.05 Gb，contig N50和scaffold N50分别为4.27 Mb和6.56 Mb。其中4.01Gb的序列可以锚定到7条染色体上，最大染色体2V长度为690.48Mb，最小染色体1V长度为454.00Mb（图1）。注释获得39,727个高可信度基因。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，在进化关系上与黑麦最近。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，发现Ifis、Sumana、Daniela三个LTR亚家族在簇毛麦中数量最多，它们在基因组中占比高于在其他小麦族物种。簇毛麦LTR插入爆发时间明显晚于其他小麦族，大约发生在8万年前（图2）。
Figure 2. Phylogenetic tree and analysis of the long terminal repeat-retrotransposons (LTR-RTs) of D. villosum 91C43DH
图2 小麦族物种系统进化树、簇毛麦长末端重复反转录转座子分析
比较基因组学发现，簇毛麦基因组在进化过程发生了4VL/5VL/7VS染色体复杂的染色体结构重排，推测涉及了两次易位事件（图3）。在第一次易位事件中，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，这次易位相同与小麦A祖先种的易位事件（4AL/5AL）相同；在第二次易位中，原始的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，这次易位事件是簇毛麦独有的，可能是簇毛麦从小麦族分化出来的过程中发挥重要的作用。
Figure 3. Chromosome rearrangements of D. villosum 91C43DH
图3 簇毛麦91C43DH的染色体结构重排分析
从簇毛麦中一共鉴定出5个种子储存蛋白（SSP）位点，分别为Gli-V1、Gli-V2、Gli-V3、Glu-V1和Glu-V3（图4）。跟小麦相比，位于4V上的Gli-V3是簇毛麦中特有编码醇溶蛋白基因位点；Gli-V1只编码1个高分子量麦谷蛋白基因（HMW-GS），而Glu-V3编码14个低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GSs），这些基因在簇毛麦籽粒中均高表达，与小麦各亚基因组相比，Glu-V3中编码LMW-GSs数目发生了明显的扩张。前人研究表明，涉及1VS的易位系可以提高小麦面包加工品质，本研究推测是1VS上编码LMW-GS基因扩张所致。对簇毛麦SSP位点的组成分析，可为利用簇毛麦进行小麦品质改良提供了重要参考信息。
Figure 4. Prolamin-type seed storage proteins (SSPs) analysis
图4 簇毛麦种子储存蛋白位点的鉴定和比较分析
为了揭示簇毛麦广谱抗病的组学基础，本研究首先在全基因组水平鉴定簇毛麦中的抗病基因类似物（RGA）的数量和分布，发现簇毛麦中存在多个RGA簇。比较抗白粉病簇毛麦和感白粉病乌拉尔图小麦接种白粉菌生理小种E26后的全基因表达特征，发现多个RGAs（R基因、RLK和RLP）在簇毛麦中特异响应白粉菌诱导表达，而在乌拉尔图小麦中不受诱导；此外Ca2+信号通路、SA信号通路、活性氧信号通路中所涉及的基因等在簇毛麦中显著富集（图5）。
Figure 5. Genome-wide gene expression analysis of powdery mildew resistant D. villosum and susceptible T. urartu in response to Bgt infection
图5 簇毛麦和乌拉尔图小麦受白粉菌侵染的显微观察和基因表达谱分析
为了揭示簇毛麦抗白粉病基因Pm21（NLR1-V）广谱高抗白粉病的表观基因组学调控机制，本研究利用MH-seq技术，在全基因组范围鉴定了簇毛麦受白粉菌诱导的开放染色质位点（MHSs），共鉴定到了52,635个受白粉菌诱导特异富集的MHSs，其中26.15%位于基因上游启动子区域。在广谱抗白粉病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，命名为MHS1和MHS2，单个MHS又划分两个亚峰，分别为MHS1.1和MHS1.2、MHS2.1和MHS2.2（图6）。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。
Figure 6. Functional characterization of Bgt E26 inducible cis-regulatory elements for NLR1-V gene.
图6 广谱抗白粉病Pm21（NLR1-V）基因开放染色质的鉴定和原生质体表达验证
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。此外，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也参与了本研究。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、江苏省现代作物生产协同创新中心、江苏省重点研发计划和江苏省小麦产业体系的资助。
转自：“iPlants”微信公众号
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