Nature Commun | 樊龙江/柏连阳/李美团队联合揭示马唐属基因组遗传渗入与除草剂抗性

禾本科马唐属（Digitaria）物种分布广泛，环境适应性极强，为非洲部分地区主要粮食作物（我国早期贵州等地也有种植），也是旱地危害最严重的杂草。随着农业生产中除草剂的长期使用，马唐对多种除草剂的抗性不断演化，尤其是自20世纪90年代烟嘧磺隆在中国推广以来，抗性问题在多个地区持续加剧。因此，马唐属的相关研究不仅是理解杂草快速演化的重要切入点，也对作物环境适应性机制解析具有重要意义。

图1 | 常见的马唐属物种（上：D. ciliaris；下：D. sanguinalis）

近日，浙江大学樊龙江教授团队联合湖南省农科院柏连阳院士团队与山东省农科院李美研究员团队在Nature Communications发表了题为“Digitaria genome analyses indicate introgression may drive local adaptation and herbicide resistance”研究论文。该研究组装了禾本科杂草马唐及其二、四倍体祖先种染色体水平基因组，分析了十年间采集的579份马唐属物种基因组重测序数据与除草剂抗性表型，揭示了马唐属物种系统发生及其环境适应基因组演化机制。该研究发现了多倍化与近缘物种间渐渗在其环境适应和除草剂抗性形成中的关键作用，发现抗性相关等位基因可能来源于近缘马唐种的遗传渗入。该研究为马唐属物种鉴定、杂草抗性机理解析与防控、马唐属作物育种提供了重要的基因组资源与理论依据。

该研究首先进行了马唐属优势种六倍体马唐D. sanguinalis、四倍体马唐D. milanjiana以及二倍体马唐D. radicosa基因组的从头组装，获得了染色体水平的高质量基因组。为了解析马唐属物种分化、环境适应基因组选择痕迹以及除草剂抗性机制，该研究对10年间（2013-2023）采自中国的579份马唐属材料进行了基因组重测序。马唐属包含超过220个物种，物种分类一直存在争议。基于重测序数据比对率以及比对覆盖度，可以将旱地马唐属物种主要分为D. exilis, D. ischaemum, D. violascens, D. ciliaris, D. bicornis, 和D. sanguinalis六个种；系统发育和群体结构分析将D. sanguinalis进一步分为五个变种：var. glabra、var. parvispicula、var. pubescens和var. sanguinalis，且不同变种间基因流频繁（图2）。

图2 | 马唐属优势种D. sanguinalis系统发生及种群历史动态

不同气候地域分布分析表明，光果马唐（var. glabra）和小穗马唐（var. parvispicula）分别主要分布在低纬度和高纬度地区，前者分布区域环境最低温显著低于后者。群体基因组分析表明，光果马唐中存在毛马唐（D. ciliaris）的渗入，且部分渗入区域与低温环境显著相关。进一步分析发现，渗入区域中包含多个与逆境胁迫响应相关的基因，如RZ2，其单倍型分布与最低温度梯度一致，表明渗入可能为马唐提供了适应低温环境的遗传变异，从而促进其在不同气候区的扩散与定殖（图3）。

图3 | 马唐基因组同域渗入区域与低温适应显著关联

马唐群体对除草剂产生抗性在全球农田中多次报道。研究对196份马唐材料进行了烟嘧磺隆处理。结果显示，不同种群间抗性水平在近十年内（2013-2023）显著提升，但靶标基因ALS并未出现固定的经典抗性突变或扩增，表明靶标抗性并非主要机制。进一步的全基因组关联分析鉴定出多种与非靶标位点抗性相关的候选基因（涉及解毒代谢与胁迫响应过程）。有趣的是，其中部分抗性相关等位基因具有显著的渗入信号（如SOH1），同时高抗群体具有更大的渗入区域，暗示了渗入可能加速了抗性在马唐中的传播与积累。

图4 | 马唐烟嘧磺隆抗性的基因组基础

浙江大学农业与生物技术学院樊龙江团队博士生黄毓杰、山东省农科院李健研究员为本研究共同第一作者，浙江大学作物科学研究所樊龙江教授、湖南省农科院柏连阳院士和山东省农科院李美研究员为本研究共同通讯作者。西澳大学余勤教授、巴西南大河州联邦大学Aldo Merotto教授、马来西亚蒙纳士大学宋明家教授、中国科学院冯钰研究员，浙江大学吴东亚博士等对本研究提供了重要指导和支持。本研究得到了国家重点研发计划的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69076-x