基因组学加速多年生植物驯化：构建气候适应性农业系统的新路径

为解决气候变化背景下农业可持续性挑战，研究人员开展基因组学加速多年生植物驯化研究，提出从建立多样性群体、组装参考基因组到开发分子标记的全流程策略，结合GWAS（全基因组关联分析）、QTL（数量性状位点）定位和GS（基因组选择）技术，显著缩短驯化周期。该研究为开发抗逆性强、生态效益高的新型多年生作物提供方法论支持，发表于《iScience》。

　　

背景与挑战
全球农业正面临双重压力：既要满足人口增长带来的粮食需求，又需应对气候变化导致的极端环境。当前农业系统依赖少数一年生作物（如小麦、水稻、玉米和大豆），其集约化种植导致土壤退化、碳流失和生态脆弱性。相比之下，多年生植物凭借深根系、抗逆性和持续覆盖等特性，被视为可持续农业的关键候选者。然而，传统驯化方法因多年生植物的自交不亲和(self-incompatibility)、多倍体(polyploidy)和复杂基因组而进展缓慢。

研究设计与技术方法
由HudsonAlpha生物技术研究所和The Land Institute团队主导的研究，提出“基因组学驱动的驯化加速”框架。研究以北美油料植物Silphium、多年生谷物Thinopyrum intermedium（中间冰草）等为模型，通过以下技术路径实现突破：

1. 多样性群体构建：采集野生种质资源，利用RNA重测序评估遗传距离；
2. 基因组组装：结合PacBio HiFi长读长和Hi-C技术完成染色体级组装；
3. 标记开发：采用低深度测序(skim sequencing)与靶向测序(target sequencing)生成高密度SNP；
4. 性状解析：通过GWAS和QTL定位鉴定驯化相关基因（如种子休眠、生物量）；
5. 基因组选择(GS)：建立预测模型加速优良基因型筛选。

研究结果

1. 基础育种群体的开发
通过跨区域种质收集（如Silphium integrifolium的南北美群体），结合基因组环境关联分析(GEA)，发现南部群体具有更高遗传多样性。利用k-mer分析校正了15%的样本标签错误，确保后续研究的准确性。

2. 驯化过程中的遗传多样性保留
对比野生与栽培向日葵(Helianthus annuus)的基因组发现，驯化导致抗逆基因丢失（如干旱响应基因减少30%）。研究提出通过精准标记辅助选择，保留中性变异(neutral variation)以应对未来环境变化。

3. 候选物种的基因组特征
研究列举了7种关键多年生作物（表1），包括：

• Silphium spp.：7.5 Gb基因组，自交不亲和，需改良种子含油量(15.2%)；
• Thinopyrum intermedium：23.4 Gb六倍体基因组，已商业化品种Kernza^?通过GS提升产量10%；
• Onobrychis viciifolia：1.95 Gb四倍体基因组，富含原花青素(proanthocyanidin)，其合成基因拷贝数增加通过基因组注释证实。

4. 基因组测序与分型策略
针对多倍体挑战，开发了SubPhaser工具分离亚基因组特异性k-mer，并在四倍体马铃薯中验证。结合STITCH和Beagle算法，低深度测序(1X)的基因型填补准确率达95%。

结论与意义
该研究构建了首个系统性多年生植物驯化技术框架，其核心贡献在于：

1. 方法论创新：将GWAS、GS等现代基因组学工具整合至驯化流程，将传统30年周期缩短至10年内；
2. 资源突破：完成多个复杂基因组组装（如23.4 Gb的Thinopyrum），为后续研究提供“基因组蓝图”；
3. 生态农业启示：通过保留野生种抗逆基因，规避一年生作物驯化的“适应性-产量”权衡(trade-off)。

研究团队强调，未来需加强跨学科合作（如表型组学、病理学）以解决多年生作物转化效率低等瓶颈。该成果为应对全球粮食安全与生态可持续性挑战提供了可推广的解决方案。