白史且、鄢家俊、严学兵、马啸教授等团队发布“川草2号”老芒麦高质量基因组

并揭示其遗传基础和起源进化过程

老芒麦（Elymus sibiricus L.），异源四倍体植物（2n = 4x = 28，StStHH），是禾本科小麦族披碱草属的模式种。老芒麦广泛分布于欧亚大陆，是我国重要乡土草种，具有丰富的遗传多样性和生态适应性，在我国畜牧业和草地生态修复中发挥着重要作用。“川草2号”老芒麦（E. sibiricus L. cv. Chuancao No. 2）是由四川省草原科学研究院选育的优良老芒麦国审品种，因其饲草和种子产量高以及抗逆性强的特点，在我国青藏高原地区成为当家草种，被广泛应用于草地补播改良、生态修复、人工饲草基地建设中，多年多次入选区域主推草品种目录。

近期，四川省草原科学研究院/西南科技大学白史且/鄢家俊团队联合扬州大学严学兵团队和四川农业大学马啸团队在SCIENCE CHINA Life Sciences（《中国科学：生命科学》英文版）发表了题为“High-quality reference genome and population analysis of allotetraploid Elymus sibiricus provide insight into genome origin and environmental adaptations to the Qinghai-Tibetan Plateau”的研究论文，公布了染色体级别的“川草2号”老芒麦参考基因组序列，对老芒麦的基因组序列及群体基因组数据进行了深度挖掘，系统性地探索了老芒麦的基因组特征、起源与进化历程以及环境适应性特征，为老芒麦的遗传信息解析和系统发育关系研究提供理论基础。

该研究通过整合单分子测序（PacBio，97.34X）和双末端测序（Illumina，68X）技术，完成了“川草2号”老芒麦基因组的高质量从头组装，其基因组大小为6.57 Gb，Contig N50达到了4.46 Mb。进一步通过461.17 Gb的Hi-C测序数据，成功将6.53 Gb的基因序列挂载到14条染色体上，其中St亚基因组和H亚基因组分别包含3.15和3.37 Gb的基因序列（图1）。这一成果标志着国际上首次获得了达到染色体级别的“川草2号”老芒麦参考基因组序列。

图1 老芒麦的形态和基因组特征

染色体级别的“川草2号”老芒麦参考基因组图谱的获得，有助揭示老芒麦基因组大小变化的动态历史及其进化轨迹。通过比较基因组学，推断出老芒麦的H亚基因组与大麦的H基因组的遗传距离较近（图2）。此外，古染色体进化分析的结果表明老芒麦染色体进化过程中即存在一定的保守性，又表现出了不同程度的复杂性，体现了其染色体进化机制的多样性。值得注意的是，通过基因组之间的共线性分析发现，老芒麦H亚基因组上4号染色体（Es4H）和6号染色体（Es6H）之间存在较大的易位片段，并且这个较大的结构变异与老芒麦的其环境适应过程有关（图2）。

图2 老芒麦亚基因组的进化和染色体结构变异分析

通过对来自我国东北、西北、华北和青藏高原地区的90份老芒麦野生种质进行重测序分析，不仅从全基因组水平揭示了老芒麦自然群体的遗传多样性（图3），还提出了青藏高原是老芒麦起源和遗传多样性中心的观点，并由此推测出老芒麦群体可能的扩散路径，为老芒麦的遗传进化和环境适应性研究提供了宝贵的数据支持。

图3 90份老芒麦种质的分布和群体结构特征

成功绘制“川草2号”老芒麦参考基因组精细图谱并探究老芒麦自然群体的遗传进化关系，不仅有助于深入理解老芒麦的遗传基础和分子机制，而且为揭示老芒麦在不同生境下的适应机制和进化历史提供了关键信息。此外，这一成果有助于加速发掘老芒麦的优异新基因及培育优异新品种。同时，深入了解老芒麦的遗传背景有利于促进全球野生老芒麦种质资源的遗传保护，这对未来披碱草属优异种质资源的保护、发掘与育种利用具有重要的战略意义。

四川农业大学、四川省草原科学研究院联合培养的博士研究生李欣瑞为论文第一作者，四川省草原科学研究院张昌兵副研究员、北京百迈客生物科技有限公司王丽丽工程师以及中国科学院遗传与发育生物学研究所黄盖副研究员为论文共同第一作者。四川省草原科学研究院/西南科技大学白史且教授、鄢家俊教授、扬州大学严学兵教授和四川农业大学马啸教授为共同通讯作者。

本研究得到中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士的悉心指导，同时，四川省草原科学研究院李达旭研究员、中国热带农业科学院纪长绵副研究员以及电子科技大学杨足君教授参加了部分工作，新疆农业大学张博教授、青海省畜牧兽医科学院刘文辉研究员、兰州大学谢文刚教授、河北大学刘桂霞教授为老芒麦种质资源收集提供了帮助。该研究得到了国家自然科学基金、四川省重点研发项目以及四川省饲草育种攻关项目的支持。

研究进展