【研究单位】山东农业大学农学院
【课题来源】国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金
【成果说明】
小麦近缘植物作为小麦遗传改良的天然基因资源库，其丰富的遗传多样性为应对现代小麦品种遗传基础狭窄、抗病性衰退或单一化等问题提供了重要解决手段。中间偃麦草（Thinopyrum intermedium）和鹅观草（Roegneria kamoji）分别是小麦族偃麦草属和鹅观草属多年生异源六倍体，具有抗病、抗逆等多种优异性状，是小麦遗传改良和饲草育种的重要遗传资源。然而，由于小麦族种属间频繁杂交驱动的网状进化导致基因组组成高度复杂，两者染色体基组构成及二倍体供体来源尚未完全明确，阻碍了其优异基因在小麦育种工作中的精准挖掘与利用。
本研究首先组装获得了中间偃麦草和鹅观草的高质量基因组，两个基因组的大小分别为10.89和11.14 Gb。对两个基因组进行注释，分别得到133,758个和135,450个高置信度蛋白质编码基因。对小麦族系统发育关系进行重构，结果显示，中间偃麦草染色体基组构成表示为假鹅观草属（St）、簇毛麦属（V）和山羊草属（J）。鹅观草染色体基组构成表示为假鹅观草属（St）、大麦属（H）和簇毛麦属近缘属（Y（V））。
图1 中间偃麦草和鹅观草的分子系统发育
在中间偃麦草J07染色体上鉴定到了一个Fhb7同源片段（Fhb7ThinJ），在鹅观草St07和H07染色体上各鉴定到一个Fhb7同源基因（Fhb7RkaSt和Fhb7RkaH）。其中Fhb7RkaSt和Fhb7RkaH均表现出良好赤霉病抗性，且存在剂量效应。Fhb7RkaSt和Fhb7RkaH编码蛋白质序列存在的12个非同义突变中只有P65L突变位于谷胱甘肽结合区（G位点），P65L和L217M突变降低了Fhb7RkaH的酶活性和稳定性，从而导致其与Fhb7RkaSt的抗性之间存在差异。
图2 鹅观草Fhb7同源基因的功能评价
本研究所获得的中间偃麦草和鹅观草参考基因组，为小麦及其近缘物种的进化研究以及优异基因的挖掘利用提供了重要的基础，对Fhb7基因的功能解析为小麦抗赤霉病育种提供了更多的抗病种质资源。
该研究成果以“Analysis wheat wild relatives Thinopyrum intermedium and Roegneria kamoji genomes reveal different polyploid evolution paths”为题目在线发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上。
【用户使用】
依托山东农业大学超级计算中心平台，本研究完成了六倍体中间偃麦草、鹅观草的基因组组装及相关生物信息学分析。在Linux环境下，利用多款软件对多种测序数据进行了分析。在基因组组装过程中，需要对不同k-mer、不同参数组合下的组装空间进行不同精细程度的搜索，并通过Hi-C锚定染色体、k-mer划分亚基因组；后续注释、比对与系统发育分析同样涉及大规模序列比对与迭代计算，对CPU速度、内存容量和并行计算能力要求很高。由于整体计算需求巨大，本研究按分析阶段将任务拆解为若干子任务，并按任务顺序依次提交至高性能计算平台；同时，充分利用平台并行计算能力处理各阶段内部可并行部分，从而将分析时间缩短至可接受范围。
【论文】
Sun, S., Che, N., Chen, L. et al. Analysis wheat wild relatives Thinopyrum intermedium and Roegneria kamoji genomes reveal different polyploid evolution paths. Nat Commun 16, 7693 (2025).