Nature Commun | 河北大学燕麦基因组学与设计育种团队与合作者揭示野燕麦环境适应性演化的遗传学基础

野燕麦(

Avena fatua

尽管野燕麦对全球粮食安全造成了极大的威胁，但是因其丰富的种质资源，高度的表型可塑性，并能够在盐碱、干旱、除草剂、贫瘠等各类胁迫环境下仍然保持竞争优势，而被认为是栽培燕麦抗性能力提升和重要农艺性状遗传改良的天然宝贵资源(图1)。然而，目前对于野燕麦的基因组学研究几乎处于空白状态，导致野燕麦具有强而广的环境适应性的遗传学基础尚不清楚，严重限制了野燕麦种质资源及优异基因信息的高效开发与利用。

图1. 野燕麦植株形态与田间表型 a, 野燕麦的全球分布及危害程度 (https://www.cabidigitallibrary.org);b, 野燕麦植株以及穗子形态;c, 西藏、新疆和张家口野燕麦采样环境

近日，河北大学杜会龙/巩志忠教授团队与中国农业科学院深圳农业基因组研究所汪鸿儒研究员团队合作在国际知名期刊Nature Communications上在线发表了题为Reference genome and population genomic analyses reveal insight into herbicide tolerance in Avena fatua L.的研究论文。该研究结合野燕麦基因组学、群体遗传学和多组学等联合分析，1) 系统地解析了野燕麦与栽培燕麦的遗传关系与演化历史；2) 鉴定了野燕麦与栽培燕麦高度分化的基因组区域，证明了这些区域涵盖了大量与重金属、盐碱、干旱、高温、病虫害及除草剂等环境适应性和胁迫抗性相关的基因；3) 挖掘到了参与野燕麦除草剂抗性的重要候选locus，并通过转基因等实验证明了4Dg0135144基因在燕麦除草剂抗性方面的重要作用。该研究不仅为解析野燕麦环境适应性演化的遗传学基础提供了关键基因资源，同时也为培育高产、耐逆且具有广谱适应性的栽培燕麦新品种提供了重要指导。

群体遗传学分析揭示驱动野燕麦环境适应性演化的基因组特征

为解析野燕麦广谱适应性的遗传学基础，本研究采集了来自青藏高原、新疆和张家口三大典型生态区的443份野燕麦材料，并结合全球范围内收集的288份栽培燕麦种质资源，通过群体基因组学系统地比较了野燕麦与栽培燕麦的基因组差异。综合应用序列相似性、大尺度结构变异、跨群体扩展单倍型纯合度 (XP-EHH)、跨群体复合似然比 (XP-CLR)、群体分化指数 (FST) 及核苷酸多样性等分析方法，鉴定了野燕麦与栽培燕麦基因组上高度分化的区域，并发现这些区域涵盖的2,417个基因，主要参与氧化胁迫应答、激素信号转导及生长发育等过程，同时涵盖了水稻和小麦中已知的多类抗逆相关的同源基因，包括耐盐、耐旱、耐热、抗病及抗除草剂等。此外，该基因集合中也涵盖了51个与产量、品质、生长发育及落粒等重要农艺性状相关的候选基因。这些基因资源为解析野燕麦环境适应性演化的遗传学基础提供了关键基因资源 (图2)。

图2. 野燕麦和栽培燕麦基因组高度分化区域的鉴定与分析

多组学联合分析解析野燕麦除草剂抗性的遗传学基础

为了证明野燕麦与栽培燕麦基因组上高度分化区域的基因在胁迫抗性方面的重要作用，本研究进一步基于转录组 (RNA-seq) 与染色质可及性 (ATAC-seq) 等多组学联合分析对野燕麦最重要的胁迫抗性能力-除草剂抗性进行分析。研究发现，在除草剂胁迫下，大量与植物免疫反应、ATP酶活、谷胱甘肽、异黄酮类物质生物合成、膜转运等相关的胁迫响应基因，通过染色体开放程度的改变影响了基因表达从而参与了除草剂的胁迫抗性，并在染色体4D末端 (qGST4D: 442-444 Mb) 鉴定到了一个与除草剂抗性显著相关的区域，该区域与此前检测到的野燕麦与栽培燕麦基因组高度分化区域重叠。通过对野燕麦特异性扩增的GST基因4Dg0135144进行病毒诱导基因沉默 (VIGS) 和转基因表型验证，证明了该基因调控燕麦除草剂抗性的重要作用 (图3)。

图3. 多组学联合分析及4Dg0135144 调控除草剂抗性的功能验证

综上所述，该研究通过构建高质量野燕麦参考基因组并结合群体遗传学与多组学分析，揭示了野燕麦与栽培燕麦的遗传关系及其环境适应性演化的遗传基础，填补了野燕麦基因组学研究的空白。同时，该研究挖掘到的抗逆性和关键农艺性状相关的功能基因，为解析野燕麦具有广谱适应性的遗传学基础并培育高产、耐逆且具有广谱适应性的栽培燕麦新品种提供了重要遗传资源，同时也为应对气候变化、保障粮草安全和推动饲草产业可持续发展提供了重要指导。

河北大学生命科学学院博士研究生刘佳楠为该论文第一作者，青年教师刘宁坤、硕士生闫薇，青年教师胡晓莹与硕士生王美佳为该论文共同第一作者，河北大学杜会龙教授、深圳农业基因组研究所汪鸿儒研究员、河北大学巩志忠教授为论文的共同通讯作者。中国农业科学院北京畜牧兽医研究所王学敏研究员与马琳副研究员对本研究中的转基因验证提供了重要帮助。华中农业大学谢文召博士对本研究的论文修改提供了重要意见。该研究得到河北省自然科学基金、中国科协青年人才托举工程及国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64825-w