河南農(nóng)業(yè)大學(xué)王道文、陳鋒和殷貴鴻團隊構(gòu)建小麥骨干親本周8425B基因組物理圖譜并解析其對小麥重要農(nóng)藝性狀的貢獻

 

　　小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，骨干親本在小麥育種改良?xì)v史進程中起了重要作用。周8425B是我國小麥育種家鄭天存教授利用六倍體小黑麥與普通小麥遠緣雜交、大群體回交、輻射誘變、階梯雜交改良夏繁加代、表型選育和染色體檢測等多項技術(shù)，在1984年創(chuàng)制的出具有矮稈、大穗大粒、抗病抗逆等多個優(yōu)異性狀的1BL/1RS小麥新種質(zhì)。周8425B具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀和良好的配合力，尤其是突出的成株期條銹病和葉銹病抗性，其本身以及由其衍生的周麥13、周麥16和周麥22等已成為我國多個麥區(qū)的重要育種親本，至2023年已育成審定衍生新品種966個（國審345個，省審621個），形成了以周麥、鄭麥、百農(nóng)、豫麥、豫農(nóng)、存麥、中麥等為代表的系列品種，種植面積占黃淮南片麥區(qū)65%以上，為小麥品種更新?lián)Q代、生產(chǎn)發(fā)展及我國糧食安全和農(nóng)民增產(chǎn)增收做出了重要貢獻。但是由于缺乏其詳盡的基因組序列，導(dǎo)致對周8425B重要農(nóng)藝性狀優(yōu)異基因挖掘及其作為骨干親本遺傳基礎(chǔ)的研究缺乏突破性進展。

 

　　整合HiFi和Hi-C等測序技術(shù)，組裝獲得了周8425B高質(zhì)量的參考基因組序列，其基因組大小為14.75Gb，contigN50為70.94Mb，scaffoldN50為735.11Mb，98.44%序列可錨定到21條染色體，在17條染色體上組裝出單端或雙端的端粒（圖1）；全基因組TE含量為87.53%，一共注釋到106,940個高可信度（HC）基因；QV（QV=47）檢測顯示周8425B基因組圖譜堿基準(zhǔn)確率超過99.99%，BUSCO完整性為99.5%，逆轉(zhuǎn)座子組裝指標(biāo)（LAI）超過15。這些數(shù)據(jù)表明周8425B基因組圖譜在編碼和非編碼序列方面均具有很高精確度、完整性和連續(xù)性。

 

　　利用12個不同發(fā)育時期的組織樣品進行轉(zhuǎn)錄組測序，通過分析鑒定出96,728個可表達的HC基因；構(gòu)建的基因表達網(wǎng)絡(luò)中存在22個共表達模塊，從中發(fā)現(xiàn)了2個位于1RS上的特異基因，可能影響小麥籽粒發(fā)育和淀粉合成等重要農(nóng)藝性狀?；蚪M序列比較發(fā)現(xiàn)不同遺傳背景中的1RS存在較多結(jié)構(gòu)變異，尤其是在周8425B的1RS染色體亞端粒區(qū)發(fā)現(xiàn)了20.5Mb的非共線區(qū)域，分析發(fā)現(xiàn)此區(qū)域是由單體長度分別380、571和118 bp串聯(lián)重復(fù)序列組成，這些串聯(lián)重復(fù)序列與前人在麥類物種細(xì)胞遺傳學(xué)研究中廣泛使用的分子探針pSc200、pSc250和pSc119.2含有的序列高度一致，我們發(fā)現(xiàn)這些串聯(lián)重復(fù)序列的物理位置關(guān)系很好地解釋了前人細(xì)胞遺傳學(xué)實驗觀察的原位雜交結(jié)果。值得指出的是，這一結(jié)果也在近期發(fā)表的小麥泛基因組研究中得到驗證（Jiaoetal.,Nature,2024），即1RS亞端粒區(qū)域超長串聯(lián)重復(fù)序列是其染色體上的一個重要結(jié)構(gòu)特征。

 

　　周8425B對條銹和葉銹病具有持久和廣譜的成株期抗性，前人已發(fā)現(xiàn)其攜帶有YrZH84、YrZH84.2、YrZH22、Yr30和Yr9等多個抗條銹病基因。利用245份材料的GWAS結(jié)果和周8425B高質(zhì)量基因組物理圖譜，該研究在3B染色體鑒定到了一個新的成株期條銹病抗病位點YrZH3BS。進一步研究發(fā)現(xiàn)YrZH3BS與YrZH22和YrZH84具有顯著的正向互作關(guān)系，同時攜帶這三個抗病位點的小麥品種可以顯著降低其條銹病感病指數(shù)84.09%，同時對每穗粒數(shù)提高8.29%，千粒重提高29.76%，產(chǎn)量提升了31.98%。這些結(jié)果表明周8425B集成了眾多優(yōu)良抗病基因，實現(xiàn)了抗病性與豐產(chǎn)性的協(xié)同改良。

 

　　在Haoetal.（2020）等人發(fā)表的中國小麥重要品種重測序研究中，有7個（周麥16、矮抗58、周麥22、豐德存5號、徐麥35、百農(nóng)201和百農(nóng)4199）是周8425B衍生品種。該研究利用Hao等人發(fā)表的重測序數(shù)據(jù)，以周8425B基因組序列為參考，發(fā)現(xiàn)7個周8425B衍生品種分別攜帶了34 - 50個來源于周8425B的染色體片段（Zhou8425B related genomic blocks，ZRGBs），其中周麥22中ZRGB含有量最高，其基因組序列的58.57%來自于周8425B，這7個衍生品種中有13個ZRGBs共同來自于周8425B；進一步研究發(fā)現(xiàn)位于5B染色體的兩個ZRGB區(qū)段，在周8425B衍生品種中均受到了顯著的正向選擇。綜上所述，該研究繪制的周8425B基因組圖譜是對國內(nèi)外小麥基因組資源的重要拓展，有益于未來更加高效地挖掘小麥重要功能基因和開展小麥基因組設(shè)計育種。

 

　　河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院陳鋒教授、張坤普研究員、王道文研究員和殷貴鴻研究員為論文的共同通訊作者，農(nóng)學(xué)院青年教師李廣偉、任妍、楊宇昕和陳樹林為論文的共同第一作者，康國章研究員和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)兼職教授河南豐德康種業(yè)鄭天存研究員對本研究給予了重要指導(dǎo)。本研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、河南省優(yōu)秀青年基金和中國博士后基金的資助。