Nature Plants | 北京市农林科学院李瑞芬团队与合作者破译大麦属I基因组盐碱适应机制，助力作物遗传改良

全球大约超过10亿公顷土地受到盐碱化的威胁, 约60%为碱化土地；我国盐碱化土壤面积约15亿亩，且随着农业灌溉和化肥使用不当等引发的次生盐碱化呈加剧趋势。土壤盐碱化问题越来越严重威胁我国粮食安全，培育耐盐碱新品种和开发利用盐碱地是保障我国粮食安全的重要战略需求。

现代作物育种大幅提升了产量，形成了本地适应性，但由于长期人工驯化，现代品种丢失了遗传多样性和抗逆性，导致“遗传瓶颈”效应。作物野生近缘种（Crop Wild Relative，CWR）具有丰富的遗传多样性和抗逆性，是作物抗逆性改良的宝贵基因资源。

大麦属I基因组物种具有广泛适应性和很强的抗逆性，不仅是作物野生近缘种，有的还是优质饲草。其中，野大麦（Hordeum brevisubulatum）是我国碱化草原的建群种，具有极强的耐碱性盐能力和适应性，但由于缺乏大麦属I基因组参考序列，限制了这些CWRs耐盐碱基因资源挖掘以及对作物遗传改良的利用。

近日，北京市农林科学院生物技术研究所李瑞芬团队联合中国农业科学院深圳农业基因组所张兴坦团队和澳大利亚莫道克大学李承道团队在Nature Plants发表了题为Hordeum I genome unlocks adaptive evolution and genetic potential for crop improvement的研究论文，首次构建了大麦属I基因组染色体级别序列，揭示了其适应盐碱环境的基因组进化机制以及在作物遗传改良中的巨大潜力。

研究团队采用PacBio HiFi长读长测序结合Hi-C染色体构象捕获技术，成功组装出3.47 Gb的染色体级别基因组（Contig N50达82.35 Mb，Scaffold N50达476.19 Mb，LAI为22.98），注释73,672个蛋白编码基因，其完整性和连续性显著优于已报道的大麦属基因组。进化分析揭示I基因组与Xa基因组（H. marinum）约534万年前发生分化，期间经历大规模染色体倒位、易位等结构变异，形成独特的基因组架构。

图1 野大麦I基因组的进化、特征和结构变异

研究发现胁迫响应基因拷贝数变异是驱动大麦属I基因组物种耐盐碱适应性形成的主要因素之一。其中，钙结合蛋白（CaBP）和硝酸盐转运蛋白（NRT2）基因家族显著扩张，在碱胁迫下显著上调表达，形成了独特的CaBP-NRT2模块。转基因验证显示该模块能够提高植物的氮利用效率，从而增强耐碱能力。此外，研究还发现水平转移基因Fhb7在I基因组中扩增为多拷贝，首次报道了该基因通过ROS稳态调控增强耐盐碱能力的分子机制，打破了其在禾本科中仅调控赤霉病抗性的传统认知。

图2 大麦属I基因组盐碱适应性模块

研究团队对人工合成的六倍体小大麦Tritordeum（I基因组导入小麦AABB基因组）的耐逆性分析表明，Tritordeum比普通小麦表现出更强的耐碱耐盐能力，其硝酸盐吸收率和氮含量显著提高；I基因组在胁迫条件下表现出更强的转录响应能力，进一步证实了大麦属I基因组物种作为CWRs对作物遗传改良中的应用潜力。

图3 大麦属I基因组对作物耐盐碱改良的遗传潜力分析

综上所述，该研究首次揭示了大麦属I基因组的适应性进化机制，发现了驱动其耐碱性盐的关键基因模块，证明大麦属I基因组物种作为珍贵的CWRs，对小麦等作物的抗逆性遗传改良具有重要价值。值得注意的是，野大麦不仅是CWR，它还是优质饲草，挖掘利用这些盐生饲草资源对利用盐碱地发展草牧业具有重要战略意义。

北京市农林科学院生物技术研究所冯浩博士、杜青伟博士、江颖副研究员和澳大利亚莫道克大学贾永研究员为共同第一作者；生物所李瑞芬研究员、中国农业科学院深圳农业基因组所张兴坦研究员、莫道克大学李承道院士和北京市农林科学院魏建华研究员为共同通讯作者；生物所、深圳农业基因组所和莫道克大学其他人员也参与了工作。本研究得到了北京市自然基金、北京市农林科学院杰出科学家计划项目、北京市农林科学院基因组学育种协同创新中心建设项目、院创新能力专项和国家自然科学基金的资助。

现因工作需要，李瑞芬课题组向国内外公开招聘博士后1-2名。主要研究方向为大麦等特色作物耐盐碱等重要农艺性状形成的分子机理及大麦分子设计育种。招聘公告详见：

https://mp.weixin.qq.com/s/PQADNS5POF7OiHU2V_C_5Q

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-025-01942-w