异源四倍体滇蔗茅近完整基因组组装揭示甘蔗复合体独特的染色体进化与谱系分化轨迹

本研究通过组装异源四倍体滇蔗茅(Erianthus rockii)近完整基因组，揭示了甘蔗复合体(Saccharum Complex)起源于约510万年前二倍体祖先的染色体融合和多倍化事件。研究解析了亚基因组间差异（包括着丝粒动态、表观变异和三维基因组重组）对四倍体化的调控机制，为甘蔗育种提供了关键遗传资源。

　　

在植物界，多倍化是推动物种进化的核心动力之一，而甘蔗复合体(Saccharum Complex)因其高度复杂的基因组结构成为研究多倍体进化的经典模型。这一复合体包含现代栽培甘蔗的多个近缘属种，如蔗茅属(Erianthus)、芒属(Miscanthus)等，其基因组经历了多次多倍化事件，形成从2n=20到2n=128不等的染色体数目变异。然而，长期以来，由于基因组高度重复和杂合的特性，甘蔗复合体中关键物种的基因组解析始终存在巨大挑战，特别是对异源多倍体着丝粒动态、亚基因组互作等核心问题的认识仍属空白。

广西亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室（广西大学）与福建农林大学海峡联合研究院的研究团队，选择具有抗锈病、耐旱等优良农艺性状的异源四倍体滇蔗茅(Erianthus rockii, 2n=4x=30)为研究对象，通过多组学技术揭示了甘蔗复合体的起源与进化机制。相关成果发表于《Plant Communications》。

研究采用PacBio HiFi测序（83.85 Gb）、Hi-C（166.78 Gb）和光学图谱等技术，构建了包含15条伪染色体的近完整四倍体基因组（1.99 Gb，N50=94.86 Mb），其中8条染色体达到端粒到端粒(T2T)水平。通过寡核苷酸荧光原位杂交(Oligo-FISH)和k-mer分析，鉴定出10条S型（A亚基因组）和5条重组型（B亚基因组）染色体。

亚基因组起源与进化
系统发育分析表明，甘蔗复合体共同祖先（x=10）约5.1百万年前(Mya)分化，A亚基因组（母本来源）与甘蔗属（1.7-2.2 Mya分化）亲缘更近，而B亚基因组通过嵌套染色体融合(NCF)将祖先染色体数减半（x=5）。LTR逆转录转座子爆发时间（3.0-1.6 Mya）限定了异源多倍化发生窗口。

着丝粒动态与染色体融合
通过CENH3 ChIP-seq鉴定出137-bp串联重复单元(EroCEN137)构成功能性着丝粒。比较基因组显示，B亚基因组在融合事件中仅保留单一着丝粒（如ChrB01保留anChr08着丝粒），冗余着丝粒被选择性清除。

亚基因组分化机制
A亚基因组（1.09 Gb）较B亚基因组（0.91 Gb）多1,600个基因，其转座子(TE)含量（70.17% vs 67.22%）和Gypsy LTR丰度（30.39% vs 26.12%）更高。83,412个结构变异(SV)中，76%位于基因间区，SV相关基因表达显著受抑（P<0.01）。三维基因组分析显示，33%同源区域发生A/B区室转换，且TAD边界保守性与基因表达稳定性正相关（P<0.01）。

表观遗传重塑
全基因组甲基化测序(WGBS)揭示，四倍化后整体甲基化水平降低（CG:0.80→0.69），CHH甲基化在亚基因组偏好基因启动子区差异显著，调控表达分化。

群体适应与育种价值
基于43份滇蔗茅种质的分析发现，A亚基因组核苷酸多样性（π=7.18×10^-2）低于B亚基因组（9.24×10^-2）。抗病基因(RGA)数量在A亚基因组和滇蔗茅(E. rufipilus)中显著扩增，其中NBS基因达近缘物种1.6倍。生态位模型结合群体历史分析表明，滇蔗茅在晚更新世（90千年前）的种群收缩事件中展现出比E. rufipilus更强的适应性。

该研究首次绘制了甘蔗复合体异源四倍体的完整进化图谱，不仅为理解多倍体基因组二倍化提供了新视角，其鉴定的抗逆基因和染色体结构变异信息，将为突破甘蔗育种遗传瓶颈提供分子靶点。特别是滇蔗茅特有的抗锈病相关基因家族（如U-box13、ERF110等），可通过远缘杂交导入栽培品种，应对全球气候变化下的病害威胁。