Advanced Science | 曹晓风团队揭示二倍体刺田菁耐盐适应演化机制

在土地盐渍化问题日益严峻的当下，如何从野生植物中发掘耐盐基因资源以助力作物改良，已成为植物科学研究重要课题。二倍体刺田菁（ Sesbania bispinosa ）作为豆科一年生草本植物，广泛分布于热带及亚热带地区。与 以往耐盐研究 多聚焦于模式植物或栽培种不同，刺田菁作为野生豆科植物，展现出独特的演化适应路径，使其成为探索耐盐分 子机制 的理想研究材料。

近日 ，中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队在Advanced Science上发表了题为Genomic Variation Underpins Genetic Divergence and Differing Salt Resilience inSesbaniabispinosa的研究论文。该研究构建了 耐盐型和 敏盐 型 刺 田菁高质量参考基因组， 解析了二倍体 刺 田菁自然群体演化规律 ，发现了二倍体田菁群体迁移到沿海 地区 ，发生大尺度倒位变异导致 群体 分化，从而演化获得耐盐性状 和主效基因 （ 图1 ）。 这项研究 为豆科 饲草和 作物的抗逆分子育种提供了理论基础和基因资源。

图1 刺田菁耐盐适应的演化密码

研究团队从中国热带和亚热带地区收集了刺田菁自然群体资源，建立了标准化的苗期耐盐筛选体系。 结果发现，材料间表现出显著的耐盐分化，其中极耐盐的SbTA02（存活率 >91%）与极敏感的SbSA44（存活率 <1.2%）被选为参考材料用于后续的测序与比较分析 （ 图2 ） 。 研究团队构建了 SbTA02与SbSA44 材料的 参考基因组 ， 基因组大小分别为 1090 Mb和1094 Mb 。 两 个 基因组的所有着丝粒区域均 被 成功解析，转座元件占比均高达73%左右，其中以长末端重复类反转座子为主。

图2 刺田菁群体耐盐筛选以及基因组组装

通过 SbTA02与SbSA44 的 比较基因组分析发现，两个基因组最大的差异在于 染色体倒位事件，尤其是位于第5号染色体中部、长达27 Mb的倒位，与着丝粒及其周边区域重叠。这一区域不仅富集了转座元件和着丝粒重复序列，也形成遗传隔离的单倍型结构。研究团队 还 发现该倒位在群体中呈地理分布差异 （ 图3 ） ：来自沿海的材料以SbTA02型倒位为主，表现出较强的耐盐性；而来自内陆的材料多为SbSA44型，耐盐性较弱。显然，这一倒位可能通过抑制重组、固化单倍型，在刺田菁的地理扩散与适应演化过程中发挥了重要作用。

图3 刺田菁自然群体分析表明五号染色体倒位导致群体分化

为了进一步解析 刺 田菁 耐 盐相关 的功能基因，研究团队开展了全基因组关联分析，在倒位区间 临近区域 识别到显著关联位点，定位到一个花青素合酶基因 SbANS （ 图4 ） 。该基因的天然顺式调控区存在多态性，形成两个主要单倍型： HapA 与 HapB ，前者在沿海群体中高频存在，并与耐盐性显著正相关 ， SbANS 在耐 盐材料呈高表达 状态，且其下游产物花青素在根部积累水平显著高于敏感材料 ， 从而增强 了 抗氧化能力和耐盐性。 进一步转基因实验证明， 将该基因转化至大豆后提升 了 耐盐性，验证了 该基因 功能的保守性与应用潜力。 这一发现揭示花青素 在应对盐胁迫中扮演着“抗逆武器”的角色。 同时还发现， 刺田菁 耐 盐材料 中的花青素合成是“常开”型的，这种“预防式防御” 可能 是刺田菁进化适应沿海盐碱环境的结果。

图4 全基因组关联分析鉴定刺田菁耐盐关键基因

综上所述，该研究系统解析了刺田菁在适应盐碱环境过程中的基因组结构变异与功能变异协同演化的分子基础，揭示了染色体倒位在野生植物自然群体结构维持与性状分化中的双重角色，并在调控区变异层面上定位到与耐盐性状关联的关键基因位点，为未来培育耐盐作物提供了基因位点和资源。

中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士 、邓娴青年研究员、黄盖副 研究员 以及 中国热带 农业科学院刘国道研究员 为 论文 的 通讯作者，黄盖、王晓飞、刘成立、何凯璇为 论文 的 共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略先导专项、 黑龙江省现代农业省实验室、 海南 省 种业实验室 、 国家自然科学基金 、 国家现代农业产业技术体系 、 首农食品 集团自立科技项目 以及中国科学院 等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202502600