Mol Plant | 中国农业大学王涛团队破译紫花苜蓿栽培种“中苜1号”基因组，助力紫花苜蓿分子育种

紫花苜蓿 (Medicago sativa) 具有蛋白含量高、高纤维素的特点，苜蓿干草粗蛋白含量达到21%以上，是奶牛等草食动物的重要优质饲草，是奶业兴旺的物质基础，被誉为“牧草之王”。目前我国紫花苜蓿种植约七千多万亩，80%种子从美国进口，苜蓿种子进口是中美贸易谈判农业领域的“卡脖子”问题。多年来，由于缺少紫花苜蓿基因组和重要性状遗传信息，紫花苜蓿的遗传与育种工作面临极大挑战。因此，研究人员与育种家迫切希望破译苜蓿基因组结构。紫花苜蓿由于其异交且亚种间杂交特性，使得其基因组既高度杂合又高度重复，同时又是同源四倍体，使得解析基因组工作变得异常复杂。

2020年7月13日，中国农业大学王涛教授团队在Molecular Plant在线发表了题为“The Chromosome-Level Genome Sequence of the Autotetraploid Alfalfa and Resequencing of Core Germplasms Provide Genomic Resources for Alfalfa Research”的研究论文，破译了紫花苜蓿栽培种“中苜1号”基因组，并对世界核心种质进行重测序获得许多重要农艺性状关联候选区域。

研究人员利用三代PacBio、Bionano以及HIC技术，结合最先进组装策略获得了完整连续的高质量紫花苜蓿基因组。基因组大小为816 Mb，Contig N50达到了3.92 Mb，BUSCO评估结果达到93.3%，LAI得分达到22.30分，基因组质量达到“gold”参考基因组。结合转录本，蛋白证据以及从头预测，注释得到了49,165个高可信度基因。其中有92.3%的基因有转录本证据支持。

在紫花苜蓿全基因组序列的基础上，为了探究紫花苜蓿群体的遗传多样性，研究人员对137份世界核心种质以及25份推测的祖先种蓝花苜蓿进行重测序。利用ADMIXTURE对162份种质进行群体结构推断，将群体分为3个Group。Group1以蓝花苜蓿为主。Group2含有两个未知的二倍体样品和一些四倍体样品，有可能是混入的黄花苜蓿种质，也可能是其他未知的亚种，Group3主要由四倍体紫花苜蓿组成。Group3可进一步划分为与地理分布高度相关的三个亚组。

北美和南美的苜蓿品种被聚为不同的组，这与苜蓿的迁徙和种植历史一致，苜蓿于16世纪被带到南美洲，后来在北美种植。结合历史记录，栽培紫花苜蓿可能起源于欧洲的一个祖先群体，北美和南美的群体分别是由来自欧洲的两批殖民者带来。紫花苜蓿从其他亚种吸收遗传成分而不断丰富其基因池，使其分布广泛并且能够适应不同的环境。

为了识别与重要农艺性状关联的候选基因，研究人员对137份核心种质进行GWAS分析。利用246万个SNP位点，研究人员识别到了与30多个农艺性状相关联的超过100个候选区域，包括抗病，抗虫，生长发育，产量以及胁迫响应等性状。在此之中，研究人员对一个与4个性状（秋眠性，抗冷，盐萌发，单叶节间长度）相关联的区域进行验证。该区域内包含3个FT同源基因，MsFTa1，MsFTa2以及MsFTc。FT同源基因已经被报道与树木休眠相关，因此研究人员对这几个FT基因是否受盐诱导进行检验。通过qPCR检验，对比盐敏感品种，耐盐品种MsFTa2显著高表达并受盐诱导。GWAS定位和表达模式分析结果表明，MsFTa2的表达差异可能影响紫花苜蓿的秋眠和耐盐性。结合地理位置，强秋眠盐敏感型品种主要分布在秋冬季气温较低的高纬度地区，而弱秋眠耐盐型品种主要分布在温度较高、土壤盐分较高的低纬度地区。因此，MsFTa2可能有助于提高紫花苜蓿的环境适应性。

中国农业大学王涛教授团队近二十年来一直致力于苜蓿基础研究和应用研究，在苜蓿抗逆生物学和结瘤固氮生物学领域取得一批创新性成果。在本研究中，该团队破译了我国重要栽培品种“中苜1号”基因组，并对162份世界苜蓿种质资源进行了群体分析，GWAS分析确定了一些候选控制重要农艺性状的目标区域。该研究成果的完成，使得我国在苜蓿基因组学研究领域走在了世界前列，显著提升了我国苜蓿科技的国际竞争力，并将极大促进国际紫花苜蓿分子育种进程，提高牧草产业发展水平。

中国农业大学博士研究生沈晨、中国科学院遗传发育所杜会龙博士、陈倬博士、鲁宏伟博士为共同第一作者，中国农业大学生物学院王涛教授、董江丽教授、中国科学院遗传发育所梁承志研究员为共同通讯作者。“中苜1号”材料由中国农科院杨青川研究员馈赠，核心种质资源由美国农业部馈赠。中国农业大学赖锦盛教授和史俊鹏博士后在论文修改中给予大力帮助。本研究获得国家重点研发计划和山东省农业良种工程项目的支持。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.07.003