白史且团队等在线公布了我国重要乡土草老芒麦高质量基因组

并揭示了老芒麦遗传基础和起源进化过程

       老芒麦（Elymus sibiricus L.），又称西伯利亚披碱草、垂穗大麦草等，是禾本科小麦族披碱草属的模式种。作为一种异源四倍体植物（2n = 4x = 28，StStHH），老芒麦广泛分布于欧亚大陆，是我国重要乡土草种，并展现出了丰富的遗传多样性和生态适应性。因此，它被广泛应用于高产人工草地的建立和天然草地的恢复与改良工作中，在青藏高原草地畜牧业发展和草原生态修复方面发挥着重要作用。

       2024年4月20日，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bioRxiv在线发表了题为A high-continuity and annotated reference genome of allotetraploid Siberian wildrye (Elymus sibiricus L., Poaceae: Triticeae) 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，揭示了老芒麦遗传基础和起源进化过程。

       “川草2号”老芒麦（Elymus sibiricus L. cv. Chuancao No. 2）是由中国四川省草原科学研究院选育的优良老芒麦品种，因其产量高和抗逆性强的特性，在青藏高原地区被广泛应用。前期通过流式细胞仪的调查研究，初步估算了“川草2号”老芒麦的基因组大小约为6.74 Gb。在此基础上，本研究整合了单分子测序（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  染色体级别的“川草2号”老芒麦参考基因组图谱

       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异的动态历史及其进化轨迹。研究人员通过比较基因组学，推断出老芒麦的H亚基因组与大麦的H亚基因组的遗传距离较近，并且Gypsy (RLG)和未分类逆转座元件（RLX）是老芒麦基因组扩增的主要贡献者（图2）。此外，古染色体进化分析的结果表明老芒麦H和St亚基因组中的3号染色体（Es3St和Es3H），在小麦族中具有高度保守的进化模式。值得注意的是，通过基因组之间的共线性分析，我们发现老芒麦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抗性有关（图3）。

图2 比较基因组及LTR插入分析

图3“川草2号”老芒麦基因组进化及结构变异（易位）分析

       基于“川草2号”老芒麦参考基因组数据，开展了老芒麦的群体基因组学研究。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SNP和INDEL水平揭示了老芒麦自然群体的遗传多样性，还首次提出了青藏高原是老芒麦起源和发展中心的观点。这项研究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4 老芒麦野生种质的群体多样性分析

       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多样性，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。

       该项研究得到十三五国家重点研发项目、四川省重点研究项目、首批万人计划天府杰出科学家项目、草原生态修复科技支撑等项目的支持。

作者简介

       白史且，1964年生，彝族，二级教授、博士，博士生导师，长期从事乡土草种质资源发掘与育种利用工作，现任西南科技大学农业科技研究院院长，中国草学会副理事长，曾任四川省草原科学研究院院长和四川省林草局总工程师。享受国务院特殊津贴专家，国家牧草产业技术创新战略联盟首席科学家，国家公益性行业科技专项首席科学家。主持国家和省项目20余项，选育草品种19个，制定标准52项，获科技成果9项，其中：国家科技进步二等奖2项（第一、第五），神农中华农业科技奖优秀团队奖1项（第一）。