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为探究大麦属 I 基因组物种的奥秘，研究人员测序分析其基因组，揭示耐盐碱机制，助力作物改良。
## Hordeum I 基因组：解锁作物改良新密码
在全球粮食安全面临严峻挑战的当下，气候变化导致极端天气频发，可耕种土地的盐碱化问题日益加剧，严重威胁着农作物的产量与质量。与此同时，现代作物育种在追求高产量的过程中，过度依赖少数品种，造成了作物遗传多样性的锐减，使得许多现代作物在面对复杂多变的环境时显得愈发脆弱。在这样的背景下，挖掘作物野生近缘种（Crop wild relatives，CWRs）的遗传潜力，成为了提升作物适应能力、保障粮食供应稳定的关键所在。
大麦属 I 基因组物种，以其卓越的耐盐碱特性，吸引了众多科研人员的目光。然而，长期以来，人们对它们的基因组信息知之甚少，其耐盐碱的分子机制更是迷雾重重。为了揭开这些谜团，北京农业生物技术研究中心等机构的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在《Nature Plants》杂志上，为作物改良带来了新的曙光。
研究人员运用了多种先进的技术方法来深入剖析大麦属 I 基因组。首先是基因组测序技术，他们选取了耐盐碱能力突出的短芒大麦（Hordeum brevisubulatum）品系进行全基因组测序，通过 PacBio 高保真（HiFi）长读长测序和高通量染色质构象捕获（Hi-C）技术，成功获得了染色体水平的高质量基因组组装结果。其次，对 38 份二倍体种质进行全基因组重测序，并结合比较基因组学和群体结构变异分析，全面揭示了 I 基因组物种的遗传多样性和进化规律。此外，转录组测序技术帮助研究人员了解基因在不同环境下的表达变化，而转基因技术则用于验证关键基因的功能。
研究结果
- 基因组组装与特征：研究人员成功组装出 3.47Gb 的短芒大麦基因组序列，其 contig N50 大小为 82.35Mb，scaffold N50 大小为 476.19Mb ，96.66% 的序列与预估基因组大小相符，且 94.35% 的序列被锚定到 7 条假染色体上。通过分析基因分布，发现注释基因集中在染色体远端区域。此外，研究还确定了短芒大麦与其他物种的进化关系，其与海滨大麦（Hordeum marinum）的亲缘关系较近，且经历了全基因组复制事件。在转座元件方面，短芒大麦的转座元件含量低于其他大麦物种，但部分 LTR 逆转录转座子亚家族有所扩张12。
- 结构变异分析：通过对短芒大麦、海滨大麦和普通大麦（Hordeum vulgare）基因组的结构变异分析，发现短芒大麦存在大量的染色体倒位和基因拷贝数变异（gCNVs）。这些变异与压力、刺激和防御反应以及抗病性相关，其中一些基因的扩张和结构变异可能是短芒大麦适应恶劣环境的重要原因3。
- 群体结构与基因组多样性：对 38 份二倍体种质的重测序数据进行分析，研究人员发现 I 基因组物种可分为三个主要分支，反映了它们的物种分化和进化关系。同时，短芒大麦的核苷酸多样性最高，且存在从短芒大麦到布顿大麦（Hordeum bogdanii）的基因渗入现象。此外，通过选择性清除分析，还鉴定出了与压力响应相关的基因4。
- 重复与水平基因转移促进耐盐碱适应：研究发现，短芒大麦在盐碱胁迫下表现出优异的耐受性，这得益于多个独特的遗传机制。在耐碱方面，CaBP-NRT2 模块的复制增强了氮利用效率，其中钙结合 EF-hand 蛋白编码基因（CaBPs）和高亲和力硝酸盐转运蛋白基因（NRT2）均发生了显著扩张。此外，从真菌水平转移而来的基因 Fhb7 通过调节活性氧（ROS）积累，增强了短芒大麦的耐盐碱能力56。
- 大麦属 I 基因组对小麦改良的潜力：通过合成六倍体 Tritordeum（AABBII），研究人员验证了大麦属 I 基因组对提高小麦耐盐碱能力的潜力。与普通小麦相比，Tritordeum 在盐碱胁迫下的硝酸盐吸收速率和氮含量显著提高，这主要归因于 I 亚基因组中与氮代谢和应激反应相关基因的高表达7。
研究结论与讨论
这项研究成功组装了高质量的短芒大麦基因组，为 I 基因组物种的研究奠定了坚实基础。通过全面的基因组分析，揭示了 I 基因组物种的进化关系和适应性特征，发现结构变异、基因复制和水平基因转移在其耐盐碱过程中发挥了重要作用。此外，研究还证实了大麦属 I 基因组在作物育种中的巨大潜力，为培育耐盐碱作物品种提供了新的基因资源和理论依据。
然而，目前的研究仍存在一些有待深入探索的领域。例如，虽然发现了 CaBP-NRT2 模块在耐碱过程中的重要作用，但该模块在胁迫下的信号转导和激活机制尚不清楚。另外，HbreFhb7 基因在不同环境下的调控机制以及其与其他基因的相互作用也需要进一步研究。未来，随着研究的不断深入，有望更加全面地揭示大麦属 I 基因组物种的耐盐碱机制，为全球农业的可持续发展提供更有力的支持。
