以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者YuXin Yang
小麦（Triticum aestivum）是一个具有A、B、D三个亚基因组的异源六倍体作物，其中A和D亚基因组的祖先种分别是乌拉尔图小麦（Triticum urartu）和粗山羊草（Aegilops tauschii）。拟斯卑尔脱山羊草（Aegilops speltoides）是距离小麦B亚基因组最近的物种，目前尚不清楚拟斯卑尔脱山羊草对小麦B亚基因组的基因组贡献，如两个物种之间保守区域/基因以及拟斯卑尔脱山羊草特异的基因等信息。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100567
2023年2月28日， Plant Communications杂志在线发表了中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源发掘与利用创新团队题为“Genome sequencing of Sitopsis species provides insights into their contribution to the B subgenome of bread wheat”的研究论文。该研究深入揭示了小麦B亚基因组和山羊草属物种之间的保守区段/基因、拟斯卑尔脱山羊草扩增的基因家族以及特异基因，这为利用山羊草属的优良基因资源来进行小麦的遗传改良提供了新见解。
该研究整合二代Illumina、三代Nanopore、Hi-C测序数据以及Bionano光学图谱，得到了拟斯卑尔脱山羊草染色体水平参考基因组。该参考基因组contig N50为1.71 Mb，scaffold N50为640.45 Mb，基因组最终大小为4.88 Gb，注释得到了46,348个高可信度蛋白编码基因（图1B）。荧光原位杂交（FISH）检测了小麦B亚基因组与五个Sitopsis物种之间的染色体形态结构（图1C）。同时该研究对山羊草属（Aegilops）的拟斯卑尔脱山羊草、双角山羊草（Ae. bicornis）、高大山羊草（Ae. longissima）、西尔斯山羊草（Ae. searsii）、沙融山羊草（Ae. sharonensis）、无芒山羊草（Ae. mutica）以及小麦属（Triticum）的野生二粒小麦（T. dicoccoides）进行了全基因组外显子重测序，从公共数据库下载了粗山羊草、乌拉尔图小麦、硬粒小麦（T. durum）、栽培二粒小麦（T. dicoccum）和六倍体小麦的重测序数据（图1A），将其比对到六倍体小麦中国春参考基因组（IWGSC RefSeq v1.0），得到了1,333,497个高质量SNPs。基于SNPs的系统进化树分析揭示了山羊草属和小麦属之间的亲缘关系，发现当以大麦作为外群物种时候，小麦B基因组群和大麦关系最近，其次是A基因组群和D基因组群，Sitopsis组的四个物种则距离大麦最远（图1D）。
图1. 拟斯卑尔脱山羊草染色体水平参考基因组的组装和注释
作者利用高质量参考基因组鉴定了山羊草属和小麦属B亚基因组之间的保守区段（conserved blocks），发现拟斯卑尔脱山羊草与小麦B亚基因组之间的保守区段相似度最高（0.17 Gb保守区段），说明它是距离小麦B基因组最近的物种（图2A、2B）。利用同义替换率（Ks）值比较了拟斯卑尔脱山羊草和小麦B基因组之间的分化时间，选择Ae. tauschii vs. T. aestivum DD和T. urartu vs. T. aestivum AA作为对照，结果发现拟斯卑尔脱山羊草和小麦B亚基因组之间的平均Ks值为0.0770，显著高于T. dicoccoides BB vs. T. aestivum BB（0.0267），Ae. tauschii vs. T. aestivum DD（0.0241）和T. urartu vs. T. aestivum AA（0.0226），表明拟斯卑尔脱山羊草和小麦B亚基因组之间已经存在了较大分化（图2C）。
作者同时用全基因组上的SNPs计算了Sitopsis组和小麦属B亚基因组之间的Ks值，用以评估它们之间哪些染色体区域是保守的，研究发现Sitopsis和小麦B基因组在染色体着丝粒区域存在较高的保守性，而在染色体远端区域保守性不高（图2D），这与其保守区段在染色体上的分布是一致的（图2A）。
该研究进一步比较了山羊草属/小麦属在着丝粒区和非着丝粒区的SNP变异频率，结果发现着丝粒区的SNP变异频率显著低于非着丝粒区，且对拟斯卑尔脱山羊草而言，无论其在着丝粒还是非着丝粒区域，它的SNP变异频率都小于Sitopsis组其他四个物种，但是又高于小麦属B亚基因组（图2E）。
此外，该研究同时比较了基因组上大量转座子的SNP变异频率，通过聚类分析发现拟斯卑尔脱山羊草和小麦属B亚基因组关系最近（图2F），上述这些结果均证明了拟斯卑尔脱山羊草是距离小麦B亚基因组最近，但不是直接的供体种。
图2. 小麦B亚基因组和山羊草属物种之间的
保守区间主要集中于着丝粒区
利用小麦属和山羊草属物种基因组上的单拷贝同源基因进行物种系统发育树构建，A、B、D三个亚基因组被清晰地划分到三个独立的分支中，其中拟斯卑尔脱山羊草与小麦属的B亚基因组群聚为一簇。基因家族扩张分析鉴定到热激蛋白20（HSP20）发生了扩张，在拟斯卑尔脱山羊草基因组中达到了100个，显著高于小麦B亚基因组（58）、高粱（51）、二穗短柄草（45）以及水稻（38）（图3B）。进一步的分析发现OG0272、OG0283和OG2039三个直系同源组发生了串联重复，对HSP20基因家族的扩增发挥了重要作用。此外，为了揭示扩增的HSP20基因家族成员的潜在生物学功能，分别从OG0283、OG0272和OG2039三个直系同源组中选择了三个基因进行RT-qPCR分析，结果表明三个基因分别在热胁迫处理1h，1h，0.5h后表达量显著升高，这表明它们可能在高温胁迫中发挥了相关作用（图3D）。
图3. 山羊草属和小麦属物种之间的基因系统发育树
为了更有效的利用山羊草属的基因资源，作者根据SNP变异频率分析了Sitopsis组和小麦属B亚基因组之间的保守（conserved genes）和非保守基因（non-conserved genes）的基因集，分别包含：
（1）B lineage:Sitopsis conserved genes，
（2）B lineage:Sitopsis non-conserved genes，
（3）B lineage:Sitopsissp conserved genes，
（4）B lineage:Sitopsissp non-conserved，
（5）B lineage conserved genes（图4A）。
与其他组基因相比，B lineage:Sitopsis conserved和B lineage conserved genes主要分布在着丝粒区域周围（图4B）。该研究分析了conserved:non-conserved基因在小麦不同组织中的表达水平（图4C）、在保守区块中的分布比例（图D）、共线基因的数量（图4E）、以及差异表达基因和非差异表达基因的数目（图4F）。
图4. 山羊草属和小麦属物种之间的保守和非保守基因集鉴定
拟斯卑尔脱山羊草具有许多优良的农艺性状基因。作者进一步挖掘了拟斯卑尔脱山羊草特有的基因资源。通过基因覆盖度计算，发现了拟斯卑尔脱山羊草包含789个特有基因（图5A），GO富集分析发现789个特有基因主要参与光合反应（GO:0009539）和有机氮化合物代谢（GO:1901564）等生物学过程（图5B）。同时发现了拟斯卑尔脱山羊草特有基因在17个组织中具有显著的组织特异性，并鉴定了这些特有基因在不同组织中的高表达基因数目（图5C）。之前利用特有基因的GO富集分析发现了氮代谢调控通路，并且特有基因集中包含两个已报道的氮代谢调控基因OsTCP19（TraesCS7B01G091900）和OsNRT1.1B（TraesCS1B01G225000），作者因此构建了上述两个基因的共表达调控网络，挖掘了潜在的氮代谢利用相关的基因资源（图5D）。
图5. Sitopsis物种为小麦的遗传改良提供基因资源
中国农业科学院作物科学研究所应届博士毕业生杨宇昕、博士后崔立操、路则府研究员为论文共同第一作者，中国农业科学院作物科学研究所孔秀英研究员、贾继增研究员，刘旭院士和路则府研究员为论文共同通讯作者。电子科技大学生命科学与技术学院的李光蓉副教授和杨足君教授为同共作者参与了本研究的相关工作。本研究得到了国家自然科学基金（31991213）、中国农业科学院农科英才和科技创新工程、中国博士后科学基金（2022M713430）的资助。
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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