SCLS｜曹晓风院士团队在普通田菁基因组及耐盐碱基因挖掘中取得新进展

责编 | 王一

根据联合国粮食及农业组织关于世界土壤健康的报告，全球有超过10亿公顷的土地受到盐碱化的影响，我国拥有各类可利用盐碱地总面积超过5亿亩。土壤盐碱化已成为世界性的难题。发掘和利用耐盐碱植物，驱动盐碱地生物改良是最为绿色、高效的改良途径。

中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队与黑龙江省农科院草业所潘多锋等合作，从800余份植物材料中成功筛选出极度耐盐碱的豆科植物普通田菁（Sesbania cannabina），它在pH 9.5-10的苏打盐碱地可生长且结瘤固氮。普通田菁属于田菁属，一年生草本植物，广泛用作于绿肥提升土壤肥力，并具有饲用价值。为了深入解析田菁耐逆适生的分子基础，团队测序并组装了首个普通田菁（鲁菁5）的端到端基因组完成图，揭示了田菁多倍化过程以及转座子驱动的亚基因组分化，挖掘鉴定了田菁耐盐碱胁迫的特异蛋白家族。这一研究成果在Science China Life Sciences(SCLS) 上发表，题为Telomere-to-telomere genome of the allotetraploid legume Sesbania cannabina reveals transposon-driven subgenome divergence and mechanisms of alkaline stress tolerance。

普通田菁能够显著改良盐碱地

为了找到适应碱性土壤上生长的绿肥作物，作者在中国东北重度苏打盐碱地（位于46° 33′ N，125° 30′ E）进行800余份植物材料筛选，发现豆科植物普通田菁具有较强的碱性土壤适应能力（图1），能够在pH值10左右的碱性土壤中存活，幼苗的出苗率达到27%至49%，可与多种盐碱地先锋植物（如碱蓬和星星草）相媲美。与中度碱性耐受的苜蓿的盆栽对比实验也显示在重度碱性土壤（pH约10.0）中，苜蓿无法存活，而普通田菁生长良好。此外，作者还发现普通田菁在重度碱性土壤中能够结瘤固氮。通过一轮的全量翻压还田的小区试验，结果显示与种植翻压前相比，土壤的pH值明显和电导率显著下降，土壤有机碳含量显著增加。这些结果表明普通田菁在改良盐碱土壤方面具有显著的效果。

图1 普通田菁对盐碱土的改良具有很大潜力

A，普通田菁（S. cannabina）和碱蓬（Suaeda corniculata）可生长在重度盐碱地；B，普通田菁和苜蓿（Medicago sativa）在黑土（pH约7.2）和碱性土壤（pH约9.7）的表型；C，在盐碱土壤中种植的普通田菁根瘤形态；D-F，检测翻耕前后碱性土壤的pH值（D）、电导率（E）和土壤有机碳（F）。

普通田菁端到端基因组完成图的组装和注释

为了更好地理解普通田菁碱耐受性的分子基础，利用Nanopore ultralong和PacBio HiFi测序数据混合组装，作者获得了端到端、无基因组缝隙的首个普通田菁基因组完成图（图2）。结果显示，普通田菁含12对染色体（2n = 4x =24），基因组由2,087 Mb的序列构建而成。作者通过k-mer和Hi-C分析，确定普通田菁的着丝粒由139-nt的重复单体序列构成。同时，作者在所有染色体末端均鉴定得到端粒重复序列信号，并鉴定出6个大的rDNA簇。全基因组共获得89,970个蛋白质编码基因，转座子占据了1.52 Gb序列（占基因组的72.94%），主要的转座子家族是长末端重复转座子，占据了基因组序列的52.82%。

图2普通田菁的端到端基因组特征分析

A，核型分析显示普通田菁四倍体含有12对染色体；B，普通田菁的基因组特征；C，普通田菁染色体的端到端展示图。

普通田菁为异源四倍体

普通田菁是一种异源多倍体的豆科植物，拥有两套同源染色体（图3）。作者基于田菁属中的10个二倍体（包括5个刺田菁S. bispinosa与5个茎瘤田菁S. rostrata）和5个四倍体普通田菁的基因组SNPs进行的系统发育分析、主成分以及k-mers差异分析显示，普通田菁基因组可分为两个亚基因组，命名为A亚基因组（Chr. 1A到Chr. 6A）和B亚基因组（Chr. 1B到Chr. 6B）。作者利用近缘种百脉根（Lotus japonicus）计算亚基因组的进化距离和同义替代率。结果显示，B亚基因组在系统发育关系上更接近于百脉根，表明B亚基因组可能比A亚基因组更古老。

图3普通田菁的亚基因组分类

A，B，主成分分析与遗传距离计算确定普通田菁的亚基因组类型；C，普通田菁与百脉根全基因组基因共线性分析。

LTR类型转座子驱动普通田菁亚基因组演化

通过演化分析发现，在豆科物种中普通田菁与百脉根的亲缘关系最近，普通田菁经历了一次古老的全基因组复制事件，而未经历最近的全基因组复制事件。在已测序的蝶形花亚科基因组中，普通田菁、花生以及豌豆含有最多的LTR逆转座元件。普通田菁的两个亚基因组几乎等量扩增了Gypsy和Copia转座元件（图4）。进一步分析发现，Gypsy超家族被分为五个主要支系（CRM、Athila、Retand、Ogre和Tekay），而Copia超家族则被分为八个主要支系。在这些支系中，SIRE和CRM分别是Copia和Gypsy超家族的主要支系。作者还发现A、B亚基因组间共享大多数转座子家族成员，但SIRE和Tekay的拷贝数量在两个亚基因组之间并不平衡，A亚基因组中此类家族的转座子数量更多。

普通田菁两个亚基因组间共鉴定出267.93 Mb的结构变异，包括238.46 Mb的倒位、10.35 Mb的易位和19.12 Mb的重复。大部分同源染色体转座子或基因含量并无显著差异，但是染色体5A中的转座子比例显著高于染色体5B，而且在近着丝粒区域具有明显的转座子扩张，这表明转座子的扩增导致了染色体5A和5B间长度的差异。

图4 LTR类转座子驱动普通田菁亚基因组演化

A，B，基因组已测序的豆科物种演化分析（A）以及全基因组加倍分析（B）；C，各物种转座子扩张与成分分析；D，E，普通田菁亚基因组间转座子家族演化关系以及扩张分析。

普通田菁对碱的耐受机制解析

为了探究普通田菁耐碱胁迫的可能机制，作者对生长在黑土（pH约7.2）和碱性土壤（pH约9.7）中的普通田菁根组织进行转录组分析。对鉴定得到的3,684个差异表达基因进行功能富集分析发现，磷酸盐离子相关的生物过程显著富集（图5）。通过土壤成分分析发现，盐碱土与黑土相比，土壤中总磷含量没有显著差异，但是，土壤可吸收磷含量在碱性土壤中显著降低，表明盐碱土中存在磷饥饿胁迫。

植物磷吸收过程依赖于磷转运蛋白（PHTs），这些转运蛋白在磷的吸收与转运中起着关键作用。基于全基因组家族分析与表达图谱，作者在普通田菁中鉴定到四个受碱特异诱导、且在根部特异表达的PHT1基因（SC.4BG004299、SC.4BG004301、SC.4AG004483和SC.4AG004478）。细胞定位观察证实此类PHT特异位于根边缘细胞。为了测试这些蛋白质是否可以转运磷，作者在酵母磷转运缺陷菌株中表达了来自普通田菁的两个PHTs，结果表明这两个PHTs具有Pi转运活性（图6）。为了研究这些特异诱导的PHT1基因是否具有共同的调控机制，对这些基因启动子的上游2 kb序列进行局部比对，发现在其上游序列中存在一个大约135-bp的保守区域内含应激响应元素（STRE）。结合之前的研究，作者推测这些碱性诱导的PHT1基因很可能是通过STRE进行调控，在碱性胁迫条件下增强磷吸收。

图5 普通田菁在碱胁迫下诱导的特异磷运转运蛋白表达以及功能分析

A，普通田菁在黑土和碱性土中根组织部位转录水平分析；B，根上调基因的GO富集；C-F，黑土和碱性土壤化学分析：pH（C），电导率（D），总磷（E）和速效磷（F）；G，H，普通田菁磷转运蛋白PHT基因家族演化以及表达分析；I，根特异性且碱诱导表达的磷转运蛋白PHT1；J，三个共表达的PHT1在上游序列均存在约135-bp的保守区域；K，保守区域序列比对分析。

同时，作者也发现低磷环境可以触发普通田菁根部释放更多的有机酸，导致土壤pH值显著降低（图6）。这种酸性改变可能会增加土壤中的无机磷的溶解度以促进植物吸收，在植物与其盐碱土壤环境的相互作用中发挥着关键作用。

图6 普通田菁磷运输蛋白的功能互补以及根组织部位分泌有机酸分析

A，普通田菁PHTs能够互补酵母磷转运缺陷突变体YP100；B、C，低磷环境促进普通田菁根部有机酸分泌增加（B），从而显著降低环境pH值（C）。

中国科学院遗传与发育生物学所黄盖副研究员、宋显伟青年研究员、曹晓风研究员为该论文的共同通讯作者。曹晓风研究组的雒昊飞博士、王晓飞博士（海南省崖州湾种子实验室）、尤常清、吴雪丹博士、吕志尧博士（海南省崖州湾种子实验室）以及黑龙江省农业科学院草业研究所的潘多锋副研究员为论文的共同第一作者。黑龙江省农业科学院草业研究所的申忠宝研究员和张冬梅助理研究员、中国热带农业科学院的刘国道研究员、山东省农业科学院的张晓冬研究员也参与了此研究。该研究得到了中国科学院战略性科技先导专项、国家重点研发计划、首农集团合作项目、黄三角国家农高区省级科技创新发展专项、中国科学院青年创新促进会等项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s11427-023-2463-y