基于单倍型解析基因组和多组学分析揭示高地柳枝稷耐寒性的新见解

【字体：大中小】 时间：2025年05月15日 来源：Genome Biology 10.1

编辑推荐：

　　为探究高地柳枝稷耐寒分子机制，研究人员构建其高质量单倍型解析基因组 “京济 31”，结合转录组等分析。发现 COR 基因家族差异表达、ASE 基因富集于 COR 家族，定位到 CYP450 基因。为作物耐寒育种提供新方向。研究成果发表在《Genome Biology》上。

在气候变化加剧的背景下，极端低温对作物生长和产量构成严重威胁。柳枝稷（Panicum virgatum L.）作为重要的生物能源和饲料作物，其高地生态型相比低地生态型展现出更强的耐寒性，但背后的分子机制却一直模糊不清。解析高地柳枝稷的耐寒机制，不仅能深化植物耐寒性的理论认知，还能为作物耐寒育种提供关键基因资源和技术支撑。

为此，四川农业大学草业科技学院联合北京农林科学院等机构的研究人员，开展了一项旨在揭示高地柳枝稷耐寒分子机制的研究。研究成果发表在《Genome Biology》上，为该领域的发展提供了重要的新视角。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用 PacBio HiFi 测序和 Hi-C 技术，构建了高地柳枝稷 “京济 31”（JJ31）的高质量单倍型解析基因组，获得了两个染色体级别的单倍型 “JJ31-A” 和 “JJ31-B”；其次，通过比较转录组分析，对高地和低地生态型在冷胁迫下的基因表达差异进行了系统研究；再者，结合全基因组关联分析（GWAS）和选择性清除分析，定位与耐寒性相关的候选基因；最后，通过基因功能验证实验，如在水稻中异源过表达候选基因，验证其对耐寒性的调控作用。研究中还对 340 份柳枝稷种质资源（242 份高地和 98 份低地）进行了重测序，用于群体遗传分析。

结果分析

高质量单倍型解析基因组的构建

通过 k-mer 分析估计 “京济 31” 基因组大小约为 1.19 Gb，利用 Hifiasm 软件成功组装出两个单倍型 “JJ31-A”（1.14 Gb）和 “JJ31-B”（1.11 Gb），其 Contig N50 分别为 27.05 Mb 和 25.98 Mb，显著高于低地生态型 “AP13” 基因组。Hi-C 数据验证了染色体锚定的高质量，BUSCO 完整性评估分别达 98.4% 和 98.1%，表明该基因组具有高准确性和完整性。基因注释显示，两个单倍型分别包含 79,672 和 79,416 个蛋白编码基因，重复序列占比约 54%。

比较基因组学与亚基因组优势分析

系统发育分析表明，柳枝稷的 K 和 N 亚基因组约在 660 万年前分化，而高低地生态型的分化发生在约 220 万年前。亚基因组优势分析显示，K 亚基因组在基因密度、优势表达基因数量上均显著高于 N 亚基因组，且转座元件（TE）密度更低，表明 K 亚基因组在柳枝稷适应环境中起主导作用。高地生态型中特异性扩增和正选择的基因富集于钙通道活性、褪黑素受体活性等通路，这些通路与植物耐寒性密切相关。

冷胁迫下的转录组差异与 COR 基因家族

表型和生理指标显示，“京济 31” 在冷胁迫下表现出更强的恢复能力，相对含水量（RWC）下降更缓慢，丙二醛（MDA）和相对电导率（REC）增加较少。转录组分析发现，高低地生态型在冷响应通路中存在显著的基因表达差异，尤其是冷响应基因（COR）家族。在 “京济 31” 中鉴定出 182 个特异性差异表达的 COR 基因，而在低地 “Alamo” 中则有 251 个，其中 AFB1、ATL80、HOS10 和 STRS2 等基因家族在两种生态型中表现出相反的表达模式。CBF 依赖的信号通路中，MEKK1、ICE1 等基因的表达差异也与耐寒性相关。

等位基因特异性表达（ASE）与耐寒性关联

基于单倍型基因组，研究人员在柳枝稷中鉴定出 16,801 个 ASE 基因，其中高地生态型在冷胁迫下诱导出更多的 ASE 基因，且这些基因显著富集于 COR 家族。以 CBF 基因为例，其两个等位基因在冷胁迫下表现出明显的表达偏向性，暗示 ASE 在调控耐寒性中起重要作用。与低地生态型相比，高地生态型中冷诱导的 ASE 基因更倾向于参与耐寒相关通路，进一步支持了 ASE 对耐寒性的贡献。

群体遗传分析与候选基因鉴定

通过对 340 份种质资源的重测序和 GWAS 分析，在 3K 染色体上鉴定出一个与越冬率相关的关联信号，该区域与一个包含细胞色素 P450（CYP450）基因 PVB_3K03611.1 的选择性清除区域重叠。功能验证表明，该基因在水稻中的过表达显著增强了耐寒性，表现为叶片黄化和萎蔫减轻，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性升高，MDA 含量降低。启动子区域的 61 bp 缺失会抑制该基因表达，且该缺失在低地种质中更常见，与越冬率呈负相关。

结论与讨论

本研究通过单倍型解析基因组和多组学整合分析，系统揭示了高地柳枝稷耐寒性的分子机制。研究发现，COR 基因家族的生态型特异性差异表达、ASE 基因在冷胁迫下的富集以及 CYP450 基因的调控作用，共同构成了高地柳枝稷耐寒性的遗传基础。此外，结构变异（SV）在基因表达调控中的作用为耐寒性育种提供了新的分子标记。该研究不仅填补了柳枝稷耐寒机制研究的空白，还为其他作物的耐寒育种提供了理论依据和技术参考，有助于加速基因组辅助育种在抗逆作物改良中的应用。