Nature Commun | 河北大學燕麥基因組學與設計育種團隊與合作者揭示野燕麥環境適應性演化的遺傳學基礎

野燕麥(

Avena fatua

盡管野燕麥對全球糧食安全造成了極大的威脅，但是因其豐富的種質資源，高度的表型可塑性，并能夠在鹽堿、干旱、除草劑、貧瘠等各類脅迫環境下仍然保持競爭優勢，而被認為是栽培燕麥抗性能力提升和重要農藝性狀遺傳改良的天然寶貴資源(圖1)。然而，目前對于野燕麥的基因組學研究幾乎處于空白狀態，導致野燕麥具有強而廣的環境適應性的遺傳學基礎尚不清楚，嚴重限制了野燕麥種質資源及優異基因信息的高效開發與利用。

圖1. 野燕麥植株形態與田間表型 a, 野燕麥的全球分布及危害程度 (https://www.cabidigitallibrary.org);b, 野燕麥植株以及穗子形態;c, 西藏、新疆和張家口野燕麥采樣環境

近日，河北大學杜會龍/鞏志忠教授團隊與中國農業科學院深圳農業基因組研究所汪鴻儒研究員團隊合作在國際知名期刊Nature Communications上在線發表了題為Reference genome and population genomic analyses reveal insight into herbicide tolerance in Avena fatua L.的研究論文。該研究結合野燕麥基因組學、群體遺傳學和多組學等聯合分析，1) 系統地解析了野燕麥與栽培燕麥的遺傳關系與演化歷史；2) 鑒定了野燕麥與栽培燕麥高度分化的基因組區域，證明了這些區域涵蓋了大量與重金屬、鹽堿、干旱、高溫、病蟲害及除草劑等環境適應性和脅迫抗性相關的基因；3) 挖掘到了參與野燕麥除草劑抗性的重要候選locus，并通過轉基因等實驗證明了4Dg0135144基因在燕麥除草劑抗性方面的重要作用。該研究不僅為解析野燕麥環境適應性演化的遺傳學基礎提供了關鍵基因資源，同時也為培育高產、耐逆且具有廣譜適應性的栽培燕麥新品種提供了重要指導。

群體遺傳學分析揭示驅動野燕麥環境適應性演化的基因組特征

為解析野燕麥廣譜適應性的遺傳學基礎，本研究采集了來自青藏高原、新疆和張家口三大典型生態區的443份野燕麥材料，并結合全球范圍內收集的288份栽培燕麥種質資源，通過群體基因組學系統地比較了野燕麥與栽培燕麥的基因組差異。綜合應用序列相似性、大尺度結構變異、跨群體擴展單倍型純合度 (XP-EHH)、跨群體復合似然比 (XP-CLR)、群體分化指數 (FST) 及核苷酸多樣性等分析方法，鑒定了野燕麥與栽培燕麥基因組上高度分化的區域，并發現這些區域涵蓋的2,417個基因，主要參與氧化脅迫應答、激素信號轉導及生長發育等過程，同時涵蓋了水稻和小麥中已知的多類抗逆相關的同源基因，包括耐鹽、耐旱、耐熱、抗病及抗除草劑等。此外，該基因集合中也涵蓋了51個與產量、品質、生長發育及落粒等重要農藝性狀相關的候選基因。這些基因資源為解析野燕麥環境適應性演化的遺傳學基礎提供了關鍵基因資源 (圖2)。

圖2. 野燕麥和栽培燕麥基因組高度分化區域的鑒定與分析

多組學聯合分析解析野燕麥除草劑抗性的遺傳學基礎

為了證明野燕麥與栽培燕麥基因組上高度分化區域的基因在脅迫抗性方面的重要作用，本研究進一步基于轉錄組 (RNA-seq) 與染色質可及性 (ATAC-seq) 等多組學聯合分析對野燕麥最重要的脅迫抗性能力-除草劑抗性進行分析。研究發現，在除草劑脅迫下，大量與植物免疫反應、ATP酶活、谷胱甘肽、異黃酮類物質生物合成、膜轉運等相關的脅迫響應基因，通過染色體開放程度的改變影響了基因表達從而參與了除草劑的脅迫抗性，并在染色體4D末端 (qGST4D: 442-444 Mb) 鑒定到了一個與除草劑抗性顯著相關的區域，該區域與此前檢測到的野燕麥與栽培燕麥基因組高度分化區域重疊。通過對野燕麥特異性擴增的GST基因4Dg0135144進行病毒誘導基因沉默 (VIGS) 和轉基因表型驗證，證明了該基因調控燕麥除草劑抗性的重要作用 (圖3)。

圖3. 多組學聯合分析及4Dg0135144 調控除草劑抗性的功能驗證

綜上所述，該研究通過構建高質量野燕麥參考基因組并結合群體遺傳學與多組學分析，揭示了野燕麥與栽培燕麥的遺傳關系及其環境適應性演化的遺傳基礎，填補了野燕麥基因組學研究的空白。同時，該研究挖掘到的抗逆性和關鍵農藝性狀相關的功能基因，為解析野燕麥具有廣譜適應性的遺傳學基礎并培育高產、耐逆且具有廣譜適應性的栽培燕麥新品種提供了重要遺傳資源，同時也為應對氣候變化、保障糧草安全和推動飼草產業可持續發展提供了重要指導。

河北大學生命科學學院博士研究生劉佳楠為該論文第一作者，青年教師劉寧坤、碩士生閆薇，青年教師胡曉瑩與碩士生王美佳為該論文共同第一作者，河北大學杜會龍教授、深圳農業基因組研究所汪鴻儒研究員、河北大學鞏志忠教授為論文的共同通訊作者。中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所王學敏研究員與馬琳副研究員對本研究中的轉基因驗證提供了重要幫助。華中農業大學謝文召博士對本研究的論文修改提供了重要意見。該研究得到河北省自然科學基金、中國科協青年人才托舉工程及國家自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接:

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