小麦野生近缘种Thinopyrum intermedium和Roegneria kamoji基因组揭示多倍体进化的不同路径及其抗病基因资源挖掘

本研究通过高质量基因组组装和比较基因组学分析，揭示了小麦野生近缘种Thinopyrum intermedium和Roegneria kamoji的多倍体进化路径差异：前者基因组来源于Pseudoroegneria(St)、Dasypyrum(V)和Aegilops(J)，后者则包含Pseudoroegneria(St)、Dasypyrum相关"Y"和Hordeum(H)亚基因组。研究鉴定出R. kamoji中两个Fhb7同源基因通过剂量依赖方式增强小麦赤霉病(FHB)抗性，为小麦育种提供了重要基因组资源和抗病基因靶点。

　　

小麦作为全球最重要的粮食作物之一，面临着遗传多样性狭窄的瓶颈问题。野生近缘种作为宝贵的遗传资源库，蕴藏着抗病、抗逆等诸多优良性状，但其复杂的多倍体基因组结构和进化历史长期困扰着研究者。特别是Triticeae族中的Thinopyrum intermedium（中间偃麦草）和Roegneria kamoji（鹅观草），作为小麦远缘杂交的重要材料，其基因组组成一直存在争议。这些物种已被证明能赋予小麦对叶锈病、条锈病、秆锈病、白粉病和赤霉病(Fusarium head blight, FHB)等多种病害的抗性，但对其基因组构成和进化关系的认识不足限制了这些遗传资源的有效利用。

为阐明这一科学问题，Silong Sun等研究团队在《Nature Communications》发表了最新研究成果。研究采用PacBio HiFi测序和Hi-C染色体构象捕获技术，完成了Th. intermedium（11.75Gb）和R. kamoji（11.26Gb）的高质量基因组组装，并通过比较基因组学和细胞遗传学分析揭示了它们不同的多倍体进化路径。研究发现Th. intermedium的基因组由Pseudoroegneria(St)、Dasypyrum(V)和Aegilops(J)三个亚基因组组成，而R. kamoji则包含Pseudoroegneria(St)、Dasypyrum相关"Y"和Hordeum(H)亚基因组。特别重要的是，研究在R. kamoji中鉴定出两个功能性Fhb7同源基因，证明其可通过剂量依赖方式增强小麦对赤霉病的抗性。

关键技术方法包括：1）PacBio HiFi长读长测序和Hi-C染色体构象捕获技术用于基因组组装；2）比较基因组学和转座元件分析揭示亚基因组起源；3）基因组原位杂交(GISH)和荧光原位杂交(FISH)验证基因组组成；4）转基因功能验证和酶活性分析评估Fhb7同源基因的抗病机制；5）液相色谱-高分辨质谱(LC-HRMS)检测脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)解毒产物。

基因组组装和注释

研究获得了高质量的基因组组装，Th. intermedium和R. kamoji的组装大小分别为10.89Gb和11.14Gb，BUSCO完整性分别达到98.9%和99.3%。转座元件(TE)分析显示，Gypsy和Copia反转录转座子是主要的重复序列类型，其中Gypsy元件主要集中在着丝粒区域。

分子系统发育和Th. intermedium的基因组组成

系统发育分析结合全基因组SNP分析表明，Th. intermedium的三个亚基因组分别与Pseudoroegneria(St)、Dasypyrum(V)和Aegilops(J)分支聚类。值得注意的是，先前被认为可能贡献基因组的Th. elongatum被排除在外。细胞遗传学分析通过特异性探针Oligo-pDb12H（标记V基因组）和新设计的Oligo-Ae584（标记J基因组）验证了这一结论。

分子系统发育和R. kamoji的基因组组成

研究发现R. kamoji的Y亚基因组与Dasypyrum(V)分支而非先前认为的Pseudoroegneria(St)分支聚类，但其与现存二倍体Dasypyrum物种的分化时间较早（约600万年前），这解释了为何传统GISH分析未能检测到杂交信号。系统发育证据支持六倍体R. kamoji可能起源于四倍体Roegneria祖先与二倍体Hordeum相关父本供体的杂交。

Fhb7在Th. intermedium和R. kamoji中的功能评估

研究发现R. kamoji的St07和H07染色体上存在两个功能性Fhb7同源基因（Fhb7^RkaSt和Fhb7^RkaH），而Th. intermedium中的Fhb7^Thin因19bp插入而失去功能。转基因实验证明，Fhb7^RkaSt-GST比Fhb7^RkaH-GST具有更高的热稳定性和酶活性，且两者共同表达时表现出协同效应。结构分析发现Fhb7^RkaSt-GST的M127-H128-M129区域形成螺旋结构，这可能是其稳定性增强的关键。

这项研究不仅阐明了Triticeae族多倍体物种的复杂进化历史，还为小麦遗传改良提供了宝贵的基因组资源和抗病基因。特别重要的是，研究发现R. kamoji中Fhb7同源基因的剂量依赖效应，为培育抗赤霉病小麦品种提供了新思路。研究建立的基因组资源将促进小麦野生近缘种有利性状的挖掘和利用，对保障全球粮食安全具有重要意义。