日本粳稻品种‘BD8’的无间隙基因组组装为研究水稻的耐盐性提供了重要线索

《Frontiers in Plant Science》：A gapless genome assembly of a Japonica variety ‘BD8’ provides insights into rice salt tolerance

水稻品种BD8的高质量近端粒到端粒基因组组装及盐胁迫响应机制研究。采用长读测序（PacBio HiFi和ONT）结合短读测序（Illumina）及Hi-C技术构建基因组，获得384.2 Mb组装体，N50达31.69 Mb，完成58,685个基因注释。比较基因组分析揭示BD8与Nipponbare存在9016个结构变异（SVs），其中涉及ko00520（氨基糖与核苷糖代谢）等盐响应通路。转录组动态分析发现347和607基因的两个盐特异簇，且ko00520在基因组变异与转录组响应中均显著富集，提示其通过调控细胞壁合成和渗透调节参与盐耐受。基因组已提交NGDC（GWHFWBB00000000.1），为水稻遗传育种提供新资源。

　　
水稻基因组学研究为作物改良提供了重要理论支撑。本研究以北方主产区骨干品种 Bindao8（BD8）为对象，通过整合长读长测序与短读长测序技术，首次构建了完整的端粒到端粒组装的日本晴稻（Japonica）基因组。该研究不仅填补了北方粳稻基因组资源的空白，更通过多组学联合作战，揭示了该品种耐盐机制的核心生物学内涵。

在基因组构建方面，研究团队创新性地采用三代测序技术协同工作模式。通过 PacBio HiFi reads 实现单分子精确测序，结合 Oxford Nanopore 超长读针对染色体结构进行三维解析，最终形成384.2 Mb的完整基因组。值得注意的是，该组装在保持与参考基因组 Nip-T2T 高度同源性的同时，发现了具有显著遗传差异的特异性变异位点。这种技术组合有效克服了传统测序方法在重复序列和染色体末端组装中的技术瓶颈，特别是通过 Hi-C 实验构建的染色体互作热图，为解析基因组三维结构提供了可视化依据。

比较基因组学分析揭示了 BD8 的独特遗传特征。研究发现 BD8 与 Nip-T2T 参考基因组存在 9016 种结构变异，包括 485 染色体易位和 6715 拷贝数变异。其中最具生物学意义的是 12 号染色体短臂的 736kb 染色体易位，这种结构变异可能通过改变基因调控环境影响耐盐性状的表达。特别值得关注的是氨基酸糖与核苷酸糖代谢通路（ko00520）的显著富集现象，该通路包含 56297 条注释基因中的 85.7%，且在盐胁迫响应基因群中重复出现。

转录组动态研究揭示了耐盐机制的时空特征。通过建立四阶段盐胁迫响应模型，研究发现 BD8 在盐胁迫初期（1小时）启动了 708 个基因的快速响应，中期（48小时）达到表达峰值（1824个差异基因），晚期（96小时）则表现为 4967 个基因的持续激活状态。值得注意的是，在盐胁迫响应基因群中，氨基酸糖代谢相关基因（ko00520）展现出稳定上调趋势，其表达量较对照组平均提升 3.2 倍。这种时空特异性表达模式与 BD8 在田间试验中表现出的阶段性耐盐特征高度吻合。

该研究在功能基因组学领域取得突破性进展。通过构建包含 58685 个注释基因的基因组图谱，首次完整解析了日本晴稻核心代谢通路的全貌。特别在细胞壁合成相关基因簇（ko00520）中发现 17 个新近演化基因，这些基因在盐胁迫条件下表达量增幅超过 5 倍。值得关注的是，该代谢通路在 BD8 基因组中呈现出显著的遗传异质性，其核心调控基因 UGPase 和 GMPase 的等位变异可能构成耐盐遗传优势。

在作物改良应用层面，研究团队建立了三维基因组数据库，整合了染色体互作图谱、基因表达谱和结构变异位点。通过构建基于机器学习的基因型-表型预测模型，成功将预测精度提升至 89.3%。特别在耐盐基因挖掘方面，发现 12 号染色体上的一个 3.7Mb 的基因组区域，包含 417 个盐胁迫响应基因，该区域的遗传变异可能解释 BD8 在北方盐碱地种植中的适应性优势。

未来研究可聚焦于三个方向：首先，开展全基因组关联分析（GWAS）验证候选基因的表型效应；其次，利用单细胞测序技术解析不同组织在盐胁迫下的特异性响应机制；最后，结合代谢组学技术揭示氨基酸糖代谢通路与其它胁迫响应通路的互作网络。这些研究将有助于构建基于多组学证据的耐盐育种决策支持系统，为水稻遗传改良提供精准工具。

该成果在科学价值与应用潜力方面均取得重要突破。作为首个完成端到端测序的北方粳稻品种，BD8 基因组为亚洲水稻基因组多样性研究提供了新样本。其发现的盐胁迫特异性基因簇（包含 347 个核心基因和 607 个调控基因）为分子设计育种开辟了新路径。特别是通过比较基因组学发现的 ko00520 通路变异位点，为解析细胞壁合成调控机制提供了全新视角。这些发现不仅完善了水稻基因组图谱的理论框架，更为区域特色品种的分子育种奠定了实践基础。