《Nature Genetics》：A pangenome of tetraploid wheat reveals the genetic architecture underlying domestication and genomic diversity for breeding
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四倍体小麦（Triticum turgidum L., BBAA），一种重要的面食作物，是一个未开发的遗传资源，具有丰富的基因组多样性，可用于六倍体面包小麦的改良。这里研究人员对12个基因组进行了从头组装，涵盖了所有10个公认的四倍体小麦亚种，并构建了基于图的
四倍体小麦（Triticum turgidum L., BBAA），一种重要的面食作物，是一个未开发的遗传资源，具有丰富的基因组多样性，可用于六倍体面包小麦的改良。这里研究人员对12个基因组进行了从头组装，涵盖了所有10个公认的四倍体小麦亚种，并构建了基于图的泛基因组。染色体重排驱动了亚基因组不对称性并形成了基因组分歧，每个材料平均有0.25 million个结构变异（SVs），主要归因于转座子活性。利用736个全球分布的四倍体小麦材料，研究人员鉴定了具有未开发育种潜力的局部适应亚群，并发现了一个新的逆转录转座子诱导的功能缺失Btr1-A等位基因，负责非脆性穗轴的趋同适应。全基因组关联研究（GWAS）鉴定了与32个性状相关的287个位点。一个同源异型域-亮氨酸拉链转录因子HAT14-B被鉴定出来，它同时增加小穗数和籽粒大小。这个亚种范围的泛基因组丰富了小麦族AB亚基因组资源，并促进了农艺重要遗传变异的发现和应用。
四倍体小麦（Triticum turgidum L., BBAA）是六倍体面包小麦（Triticum aestivum L., BBAADD）的祖先，贡献了B和A亚基因组，并作为其遗传改良的重要基因库。然而，现有基因组资源有限，缺乏全面的泛基因组和高分辨率变异图谱，阻碍了等位变异和候选基因的高效发掘。为此，研究人员开展了这项研究，旨在构建覆盖所有10个四倍体小麦亚种的泛基因组，系统解析其遗传多样性和驯化机制，为小麦育种提供基础资源。该论文发表在《Nature Genetics》。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：对12份四倍体小麦材料（涵盖所有10个亚种，包括野生二粒小麦、驯化二粒小麦和自由脱粒类型，来源包括黎凡特地区等全球分布）进行从头基因组组装，使用PacBio HiFi、Oxford Nanopore Technology（ONT）和Hi-C测序数据，获得染色体水平的高质量参考基因组。基于这些基因组，通过AnchorWave和vg工具包构建了基于图的泛基因组。对736份全球分布的四倍体小麦材料（包括621份新测序和115份已发表数据）进行全基因组测序，利用BWA-MEM2和Paragraph进行变异检测，获得SNP、小插入缺失（indels）和结构变异（SVs）。通过群体遗传学分析（如ADMIXTURE、主成分分析）、全基因组关联研究（GWAS，使用GEMMA）和功能验证（转基因、RNAi、双荧光素酶报告实验、电泳迁移率变动分析（EMSA））等，鉴定关键基因和变异。
研究结果如下：
**高质量基因组组装和注释**：通过12个四倍体小麦基因组的从头组装，获得了高质量参考基因组，contig N50平均为43.2 Mb，锚定率98.81%，BUSCO完整性99%。转座元件（TEs）占基因组的90.92–92.81%，以长末端重复逆转录转座子（LTR-RTs）为主。注释了78,276至89,423个高置信度（HC）基因，平均功能注释率94.17%。
**泛基因组构建和分析**：通过基因家族聚类，鉴定了50,787个基因家族，包括26,267个核心基因家族（51.7%）、3,770个软核心基因家族（7.4%）、19,879个可变基因家族（39.1%）和871个私有基因家族（1.7%）。核心基因受更强的纯化选择，而私有基因附近TE密度更高，表明基因存在/缺失变异（PAV）与TE活性相关。系统发育分析将13个基因组分为野生二粒小麦、驯化四倍体小麦和自由脱粒四倍体小麦三个亚群，分化时间分别为约10,700年前和7,800年前。NLR（核苷酸结合位点-亮氨酸富集重复）基因平均每个基因组1,687个，B亚基因组多于A亚基因组，且四倍体小麦特有NLR基因家族为六倍体小麦提供了抗病资源。
**亚基因组不对称性**：通过A和B亚基因组间的同源基因分析，每个基因组平均有12,125个单拷贝基因（A亚基因组6,962个，B亚基因组5,163个）。在4A和7A染色体末端区域观察到单拷贝基因富集，这与7BS–4AL易位有关，该易位可能增强了亚基因组分化和多样化。
**结构变异**：12个基因组与参考基因组Kronos比较，平均每个材料有233,976个SVs（包括116,990个缺失和116,986个插入），占基因组序列的11.29%，平均长度3,450 bp。94.7%的SVs与TEs重叠，表明TE活性是SV主要来源。SVs影响基因编码区和调控区，导致基因PAV。基于SVs的IBS（identity-by-state）分析显示自由脱粒四倍体小麦间遗传相似性更高。
**群体结构和亚种渗入**：736份材料分为三个亚群，与系统发育分析一致。Ispahanicum、Georgian和Persian小麦与其他亚种遗传分化较大，核苷酸多样性（π）较低。进化网络支持两步进化过程，并发现波斯小麦从野生二粒小麦中获得了更多渗入区域，如携带TaGW2-B同源基因的染色体6B区域，该基因与粒重相关。
**驯化与改良的遗传变异**：通过选择信号分析，鉴定出0.93 Gb（驯化相关）和1.17 Gb（改良相关）的选择区域，包含4,675和7,210个基因。SVs提供了额外的选择信号，与SNP/indel结果仅有7.48%和11.97%重叠。发现了Btr1-A的新功能缺失等位基因：波斯小麦中一个5,043 bp的LTR/Copia型TE插入其编码区，导致非脆性穗轴趋同进化。此外，TtGRAS-A上游76 bp的SV与千粒重和粒长宽比相关，双荧光素酶实验和转基因小麦验证表明该SV缺失等位基因增强表达，提高产量相关性状。
**32个性状的遗传解析**：对373份材料进行32个性状的GWAS，共鉴定287个位点（含783个基因），其中44个位点由SVs特异性检出。例如，TrdurKRO3A01G024420内含子中的82 bp SV与粒长宽比相关，其水稻同源基因RDR4调控穗长和籽粒饱满度。
**HAT14-B Hap1增强小穗数和籽粒大小**：通过indel-based GWAS，在染色体1B上鉴定到与穗粒数相关的15 bp插入缺失，对应基因HAT14-B（HD-ZIP转录因子）。HAT14-BHap1等位基因在自由脱粒四倍体小麦中频率显著升高（61.61%），且携带该等位基因的材料穗粒数和千粒重更高。EMSA和双荧光素酶实验表明HAT14-BHap1具有更强的DNA结合能力和启动子活性。在六倍体小麦品种Fielder中异源表达HAT14-BHap1显著增加穗长、穗粒数、千粒重、粒长和粒宽，而RNAi敲低则导致相反表型，证实该基因正向调控产量性状。
讨论部分总结：四倍体小麦泛基因组揭示了其丰富的遗传多样性，包括大量SVs和特有NLR基因。通过群体遗传学和GWAS，鉴定了驯化与改良的关键选择信号，如Btr1-A的新变异和HAT14-B的优等位基因。研究结论翻译如下：总体而言，这项研究提供了一个基础基因组资源，将加速小麦的比较基因组学和育种，并为在改良小麦中有效部署四倍体小麦多样性铺平道路。
