硬粒小麦品种Langdon染色体水平高质量基因组组装及其在合成六倍体小麦遗传改良中的应用价值

这篇研究通过结合PacBio HiFi测序和Hi-C技术，首次报道了硬粒小麦（Triticum turgidum ssp. durum，2n=4x=28）品种Langdon的高质量染色体水平基因组（10.47 Gbp，BUSCO 98.80%）。该组装填补了四倍体小麦基因组资源空白，其751.30 Mbp的scaffold N50和68,342个高置信度基因注释，为解析小麦多倍化进化、发掘野生近缘种抗病基因（如Pm57/Sr43）及合成六倍体小麦（AABBDD/AABBCC）育种提供了关键参考。

　　

背景与意义

硬粒小麦作为全球第二大栽培小麦（占小麦总产量5%），其四倍体基因组（BBAA）是研究小麦多倍化进化的关键材料。Langdon品种因其在合成六倍体小麦（如AABBDD、AABBCC）育种中的桥梁作用而备受关注。然而此前四倍体小麦基因组（如野生二粒小麦Zavitan和栽培种Svevo）存在大量缺口（如Svevo scaffold N50仅5.97 Mbp），严重限制其应用价值。

技术创新与组装质量

研究团队采用PacBio HiFi长读长测序（33.97×覆盖度）结合Hi-C染色体构象捕获技术（49.01×），构建出迄今最完整的硬粒小麦基因组：

• 连续性突破：contig N达41.18 Mbp，scaffold N50提升至751.30 Mbp，5条染色体实现端粒到端粒组装

• 准确性验证：共识核苷酸质量值（QV）50.31，LTR组装指数（LAI）19.39（接近黄金标准20）

• 结构解析：88.22%重复序列中，67.45%为逆转录转座子（Cereba/Quinta富集于着丝粒区）

比较基因组学发现

与Zavitan和Svevo基因组的共线性分析显示：

• 亚基因组分化：A（5.05 Gbp）和B（5.33 Gbp）亚基因组着丝粒位置存在显著差异

• 抗病基因资源：注释到68,342个高置信度基因，其中62.52%具有转录支持，包括野生近缘种导入的Sr43（抗秆锈病）和Pm57（抗白粉病）同源基因

应用前景

该基因组将加速：

1. 合成小麦育种：通过Langdon×Aegilops tauschii（DD）杂交创制人工六倍体

2. 抗病基因挖掘：基于野生二粒小麦（WEW）抗性基因（如Fhb7抗赤霉病）的图位克隆

3. 基因组设计育种：利用CRISPR靶向编辑BBAA亚基因组特有农艺性状基因

数据共享

所有原始数据（SRP568875）和组装（JBPDJC000000000）已公开，配套基因组浏览器支持实时查询着丝粒（平均7.71 Mbp）和转座元件热点区域。这项成果为小麦泛基因组研究奠定了关键技术基础。