广西大学张积森团队揭示甘蔗与禾本科植物古复制染色体对的演化

近日，广西甘蔗生物育种实验室、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、广西大学张积森教授团队在国际知名期刊New Phytologist上在线发表了题为Evolution of Paleo-Duplicated Chromosome Pairs with Enrichment of NBS-LRR Genes Generated through ρ-WGD in Poaceae的研究论文。该研究系统揭示了禾本科植物在经历一次古老的全基因组复制（ρ-WGD）事件后所形成的古复制染色体对（Paleo-duplicated chromosome pairs, PdCPs）的演化历程、转录特征及其独特的表观遗传调控模式，为深入理解禾本科基因组进化机制及抗病基因调控提供了全新视角。

禾本科中包含了重要的粮食和经济作物如水稻、甘蔗等。张积森团队在2018年发表了甘蔗割手密（AP85-441）首个染色体水平（n = 8）的基因组，研究发现其染色体基数相较于高粱的10条减少为8条，这是由于与甘蔗中的一对PdCPs（Chr05和Chr08）分裂后融合所致（Zhang et al., Nature Genetics, 2018）。团队在2022年发表了第二个割手密（Np-X）基因组(n = 10)，其保持有完整的祖先核型，未发生染色体的重排，研究发现这对PdCPs（Chr05和Chr08）显著富集抗病相关的NBS-LRR基因，其整体转录表达水平却长期维持在较低状态（Zhang et al., Nature Genetics, 2022），在甘蔗复合体的研究中发现这种现象保守存在（Wang et al., Nature Plants, 2023）。对古染色体对进行更深入的研究对理解甘蔗乃至禾本科的抗病调控机制具有重要意义。

为了深入解析古染色体对在禾本科内的演化命运与调控规律，研究团队对包括水稻、高粱在内的37个禾本科物种基因组开展了系统的核型分析与进化比较，绘制了NBS-LRR基因的跨物种分布图谱，并在多个代表性物种中整合分析了转录组与表观基因组数据。

图一 古复制染色体对在禾本科内的演化

研究发现，禾本科植物中共保留了三对由ρ-WGD事件产生的PdCPs，它们在禾本科长期演化过程中发挥着重要作用，并在不同亚科间呈现出差异化的染色体重排模式。尤为引入注目的是，其中一对具有共同祖源关系的PdCPs（AGK7血缘）在多个禾本科亚科中持续富集NBS-LRR抗病基因，并始终保持保守而稳定的低转录活性状态。

图二 AGK7血缘的PdCPs特异的甲基化修饰

进一步的机制研究表明，该PdCPs上基因的低表达状态可能受到多层次表观遗传调控的共同作用。研究人员发现，这些基因的转录起始位点（TSS）周围存在保守的CHH类型DNA低甲基化特征。染色质状态分析表明，该区域可能维持较为“封闭”的染色质构象，同时富集抑制性组蛋白修饰。这些表观修饰特征协同作用，对相关基因的转录活性形成了长期抑制。

综上所述，该研究首次在禾本科系统发育尺度上系统阐述了ρ-WGD衍生的古复制染色体对的演化轨迹，并深入解析了其富集的NBS-LRR抗病基因所呈现的特异性转录模式及表观调控机制。研究成果不仅加深了对植物全基因组复制后基因组结构与功能演化规律的认识，也为未来通过表观遗传调控策略改良甘蔗、水稻等作物抗病性提供了重要的理论基础。

广西大学博士研究生王宇浩为论文第一作者。广西大学张积森教授、张清教授为共同通讯作者。张积森教授团队2025届博士毕业生齐浥颖（现山东农业大学副教授），广西大学科研助理张以星、博士研究生汪柏宇、孙晓丽、丁洪艳，以及福建农林大学徐景升教授等共同参与了本研究。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广西科技重大专项、广西“八桂学者”人才计划等多个项目的支持。

参考文献：

Zhang, J., Zhang, X., Tang, H. et al. (2018). Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L. Nature Genetics 50:1565–1573.

Zhang, Q., Qi, Y., Pan, H. et al. (2022). Genomic insights into the recent chromosome reduction of autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum. Nature Genetics 54:885–896.

Wang, T., Wang, B., Hua, X. et al. (2023). A complete gap-free diploid genome in Saccharum complex and the genomic footprints of evolution in the highly polyploid Saccharum genus. NaturePlants 9:554–571.

论文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.70862