染色体规模基因组与群体重测序解析盐角草属亚基因组多样性与盐生植物适应

《Nature Communications》：Chromosome-scale genomes and population resequencing resolve subgenome diversity and halophyte adaptation in Salicornia

　　

在水资源短缺和地下水枯竭日益加剧的背景下，盐角草属（Salicornia，苋科Amaranthaceae）等盐生植物代表了极端耐盐性的珍贵模型，并有望用于基于盐水的农业。研究人员展示了六个盐角草物种的染色体规模基因组组装（chromosome-scale genome assemblies），揭示了四个不同的亚基因组，将研究人员的组装与两个现有参考基因组（S. ramosissima UK和S. europaea China）进行协调，并修正了染色体编号和方向。跨倍性水平的比较分析表明，北美谱系的基因组扩张由Gypsy反转录转座子驱动，并且两个与胁迫代谢相关的基因家族存在谱系特异性扩张。对包含318份材料的全球重测序panel进行的系统发育和群体结构分析解决了种间关系，并为未来作物育种建立了精选种质资源。遗传分析揭示了两个物种之间6A染色体上对比鲜明的群体遗传信号，突出表明一个OSCA钙通透通道基因作为渗透适应的候选位点。总之，这些资源为盐角草属建立了一个基因组框架，支持盐生植物适应性的进化研究和作物开发。

## 盐角草属基因组资源解析亚基因组多样性与耐盐适应

### 研究背景与科学问题

全球水资源短缺与地下水枯竭形势严峻，37个主要含水层中有21个超采；土壤盐渍化已影响全球约30%的灌溉土地，严重威胁作物生产与粮食安全。尽管传统作物耐盐改良研究持续多年，盐胁迫下产量稳定性进展仍有限。因此，开发能在盐水中生长的食用盐生植物成为农业转型的重要方向。盐角草属（*Salicornia*，苋科）是极端耐盐植物，其地上部分可作为“海芦笋”食用，种子富含油脂和蛋白质，且能在海水灌溉条件下种植，不占用淡水和耕地资源。然而，该属分类学长期混乱，多倍体谱系的亚基因组组成与进化来源不清晰，已有参考基因组缺乏统一命名和系统发育定位，阻碍了比较基因组和群体遗传学研究。为此，研究人员对六个盐角草物种进行了染色体规模基因组组装，并结合全球重测序panel开展比较基因组与群体基因组分析，旨在解析亚基因组多样性、多倍化历史及耐盐适应的遗传基础。该研究发表在《Nature Communications》。

### 主要技术方法

研究人员采用PacBio HiFi测序（平均深度73×）与Omni-C染色质构象捕获（平均深度91×）进行基因组组装，利用流式细胞术估计基因组大小，通过寡核苷酸荧光原位杂交（oligo-FISH）验证核型，结合Iso-Seq、RNA-seq和蛋白质同源性证据进行基因注释。样本队列包括来自13个国家的318份盐角草属及近缘属种质，其中6份用于基因组组装，全部材料进行全基因组重测序。分析方法包括SubPhaser亚基因组划分、OrthoFinder直系同源分组、RAxML/IQ-TREE系统发育重建、WGDI共线性与Ks分析、EDTA重复序列注释、k-mer和SNP群体结构分析，以及Tajima’s D、π、F_ST等群体遗传统计。

### 研究结果

#### 染色体规模基因组组装与注释质量

研究人员组装了四个二倍体（*S. brachiata*、*S. sinus-persica*、*S. europaea*（以色列）、*S. persica* ssp. *iranica*）和两个异源四倍体（*S. bigelovii*、*Salicornia* sp. France）的染色体规模基因组。二倍体基因组大小为518–570 Mb，四倍体为1171–2040 Mb。所有组装均达到参考级质量：长末端重复装配指数（LAI）>10，BUSCO完整性平均98.6%，Merqury质量值>55，84%染色体端粒完整。通过与已发表基因组比较，修正了染色体编号和方向。

#### 核型验证与亚基因组解析揭示四倍体基因组组织

细胞遗传学分析确认*S. bigelovii*为2n=36的异源四倍体，其18条染色体可分为两个亚基因组。亚基因组划分显示，*Salicornia* sp. France由A和C亚基因组组成，*S. bigelovii*由B和D亚基因组组成。研究还鉴定出*S. persica* ssp. *iranica*的3-8染色体相互易位，以及*S. bigelovii*中的三个独立易位，且所有断点区域基因均保留，表明这些重排是基因组重组而非基因丢失。

#### 多倍化与重复序列驱动的基因组扩张

转座子注释显示，*S. bigelovii*基因组扩张主要由Gypsy长末端重复反转录转座子增殖驱动，占其基因组的41.6%；而*Salicornia* sp. France未出现类似扩张，表明两次多倍化后具有不同的进化轨迹。Ks分析估算*S. bigelovii*四倍化事件约发生在4.2百万年前（MYA），*Salicornia* sp. France约在2.5 MYA，支持二者独立多倍化起源。祖先核型重建显示该属染色体骨架高度保守。

#### 比较基因组分析揭示广泛结构变异和基因家族周转

全基因组比对发现大量结构变异（SV），其中*S. sinus-persica*与*S. brachiata*相对参考基因组分别有7561和7378个SV，*Salicornia* sp. France的C与A亚基因组间有19088个SV。SV重叠基因富集于离子转运、膜相关过程和金属离子稳态等生物学过程。基因家族扩张分析发现Cupin_1超家族在盐角草属及猪毛菜属（*Suaeda*）、梭梭属（*Haloxylon*）等盐生谱系中均扩张，而查尔酮合酶（CHS）基因仅在盐角草属中特异扩张，这些家族与胁迫代谢和类黄酮合成相关，但转录组比较显示其在盐积累型*S. bigelovii*中的盐响应模式不同于非积累型*Amaranthus hypochondriacus*。

#### 种质整理、系统发育与群体结构

基于k-mer的邻接（NJ）系统发育树解析了全球318份材料的群体结构，发现5份材料遗传聚类与原始标签不符，需进行种质修正。四倍体分为两个深分支：AC亚基因组谱系（含*Salicornia* sp. France、*S. procumbens*、*S. veneta*）和BD亚基因组谱系（美洲*S. bigelovii*）。二倍体按地理区域形成多个分支，但中东地区类群间存在持续的分类学混淆，例如阿联酋的*S. europaea*与*S. sinus-persica*聚类，而以色列和埃及的*S. europaea*更接近*S. persica* ssp. *iranica*。

#### *Salicornia* sp. France命名及其与已发表四倍体关系

法国埃唐德托湖（étang de Thau）采集的四倍体材料在系统发育上独立于现有物种，其C亚基因组不存在于已发表的中国四倍体*S. europaea*基因组中，因此被命名为“*Salicornia* sp. France”。该资源补充了现有参考基因组中缺失的亚基因组。

#### 读长深度图谱、倍性确认和A亚基因组关系

将全部材料比对至两个四倍体基因组构成的人工八倍体参考，读长深度图谱确认了各材料的倍性和亚基因组组成：二倍体仅比对A亚基因组，四倍体分别比对AC或BD组合，跨亚基因组比对率≤2%。对A亚基因组约140万个SNP的系统发育分析未发现任何现有二倍体谱系可作为四倍体A亚基因组的直接祖先，提示其可能来源于未采样或已灭绝的二倍体谱系。

#### 二倍体SNP基因分型、群体结构和基因流

二倍体全基因组SNP分析获得约1050万个高质量双等位变异。群体结构分析显示*S. sinus-persica*与阿联酋*S. europaea*聚类，以色列和埃及*S. europaea*与*S. persica* ssp. *iranica*亲缘更近。D-statistic检测到以色列与埃及*S. europaea*间存在显著基因流，而*S. sinus-persica*与*S. persica* ssp. *iranica*间无显著渐渗。

#### 二倍体盐角草遗传多样性

核苷酸多样性（π）和Nei指数显示沿海群体（阿联酋*S. europaea*、*S. sinus-persica*）遗传多样性显著高于内陆群体（*S. persica* ssp. *iranica*）。内陆盐湖群体多样性极低，等位基因频率谱呈稀有等位基因过量，符合近期瓶颈或奠基者效应，但未进行显式人口统计建模，无法区分具体机制。

#### 全基因组Tajima’s D与候选OSCA区域检测

对两个同属AC亚基因组四倍体物种的比较发现，*S. procumbens*（北海/瓦登海）和*Salicornia* sp. France（地中海泻湖）在6A染色体约33–36 Mb区域呈现相反的Tajima’s D信号。随机降采样检验表明该信号不受样本量不平衡影响。该区间含有一个OSCA钙通透通道基因（拟南芥At4g02900直系同源），参与渗透胁迫诱导的钙信号。环境数据表明*Salicornia* sp. France采样点土壤电导率（EC=23.9 dS/m）远高于*S. procumbens*采样点（1.6和5.8 dS/m），为该位点的渗透适应候选作用提供了生态背景。

#### AC亚基因组四倍体的全基因组核苷酸多样性

*S. procumbens*总体上比*Salicornia* sp. France具有更高的全基因组核苷酸多样性，且主要分布在A亚基因组染色体上。在6A染色体33–36 Mb区域，*Salicornia* sp. France的π反而超过*S. procumbens*，与Tajima’s D的对比信号重叠，且同样包含OSCA/CSC1样位点。

#### 局部F_ST跨越6A染色体OSCA位点

利用均衡样本量（各12个个体）进行滑窗F_ST分析，显示该区域存在一个从升高到降低的分化过渡，OSCA/CSC1样基因正位于过渡区内，进一步支持该位点具有独特的群体遗传特征。

#### 参考独立验证和6A染色体结构变异

将测序数据重新比对至独立的二倍体*S. ramosissima*参考基因组后，6A染色体上的Tajima’s D对比峰和OSCA区域信号均可重复，排除参考组装人为因素。覆盖深度分析显示，OSCA区域存在结构变异多态性：*S. procumbens*个体无缺失且单倍型固定，符合选择性清除特征；*Salicornia* sp. France个体则呈现参考、替代和杂合等位基因高度变异的镶嵌模式。

### 讨论与结论

讨论部分指出，四倍体盐角草的B和D亚基因组未能找到现存二倍体祖先，说明其谱系可能已灭绝或未采样。6A染色体OSCA区域的对比信号可能是平衡选择、定向选择、种群历史或局部结构变异等多种机制共同作用的结果，因此该位点仅被保守地解释为候选适应性基因组区间。群体结构分析厘清了部分分类学混淆，如阿联酋*S. europaea*实际更接近*S. sinus-persica*。以色列和埃及*S. europaea*之间检测到较强基因流，而阿联酋谱系与地中海谱系存在长期隔离。内陆*S. persica* ssp. *iranica*遗传多样性极低，结合野外调查发现其在沙特阿拉伯的种群快速消失，凸显保护优先级。研究者还统一了亚基因组命名，将已发表四倍体中的A、B标签重新按谱系归属分配为A、B、C、D，便于数据整合。比较基因组揭示的离子转运、氧化还原和次生代谢相关基因家族扩张表明，盐生植物主要通过重新组织和扩增保守胁迫响应通路来适应高盐环境，而非依赖全新机制。这些资源为盐角草属的进化研究和基因组辅助育种奠定了基础。

翻译该研究的结论部分如下：“总之，研究人员的染色体规模基因组组装，连同系统发育组学和群体结构分析，描绘了盐角草属内的基因组和遗传景观。这些资源促进了盐度适应性的未来功能研究，并为基因组学驱动的盐角草改良建立了框架。在淡水短缺加剧、海水入侵地下水和低洼农业区的背景下，耐盐作物如盐角草为沿海和三角洲社区提供了一个有前景的粮食安全韧性路径。”