染色体水平基因组组装揭示耐盐草坪草Zoysia macrostachya的适应性进化机制

本研究针对沿海地区高盐环境对植物生长的胁迫问题，通过整合Oxford Nanopore长读长、Illumina短读长和Omni-C测序技术，完成了耐盐植物Zoysia macrostachya染色体级别基因组组装（329.78 Mb/20条染色体）。该研究首次揭示该物种44.03%的重复序列结构与33,474个蛋白编码基因特征，通过宏共线性分析发现其与近缘种存在1:1基因对应关系，为禾本科植物耐盐机制研究提供了高质量基因组资源。

　　

在沿海盐碱地生态修复和耐盐作物培育领域，高盐环境导致的渗透失衡和离子毒性严重制约植物生长。Zoysia macrostachya作为禾本科耐盐多年生草坪草，凭借其特有的盐腺结构和高效离子调控能力，成为研究植物耐盐机制的理想模型。然而，该物种基因组信息的缺失限制了其耐盐分子机制的深入解析。

韩国忠南大学（Chungnam National University）生物科学系的研究团队在《Scientific Data》发表了染色体级别基因组组装成果。研究人员采用多组学整合策略：通过Illumina NovaSeq 6000和Oxford Nanopore MinION平台分别产生61.79X短读长和92.32X长读长数据，结合83.07X覆盖度的Omni-C染色质构象捕获技术，利用NextDeNovo v2.5.0进行基因组组装，经HapHiC v1.0.6将69个contig锚定到20条染色体上。最终获得包含完整端粒序列（AAACCCT重复12-650次）的基因组，其scaffold N50达19.24 Mb，BUSCO完整性达97.8%。

【背景与意义】

研究团队从韩国全罗北道仙游岛采集野生材料（ZN3169），该物种作为典型泌盐植物，具有比近缘种Zoysia japonica更强的耐盐性，表现为更低的膜电导率和丙二醛积累。基因组比较分析发现，Zoysia属约2080万年前经历特有的全基因组复制（WGD）事件，可能通过细胞色素P450和ABA生物合成基因家族的扩增增强耐盐性。

【方法创新】

关键技术包括：1）采用Merqury v1.3进行k-mer分析（k=21）评估2.58%杂合率；2）通过Purge_Dups消除单倍型冗余；3）运用BRAKER3整合RNA-seq和27个百合亚纲物种蛋白序列进行基因预测；4）基于MCScan（JCVI v1.3.9）比较Oropetium thomaeum与Zoysia japonica的基因共线性。

【主要发现】

1. 基因组特征：

   • 重复序列占44.03%，其中LTR反转座子占比最高（21.09%）

   • 预测33,474个蛋白编码基因，平均含5.53个外显子，86.92%基因获功能注释

     

2. 比较基因组学：

   • 与Z.japonica存在27,286个同源基因对（55.59%基因覆盖度）

   • 四倍体核型（2n=4x=40）显示1:1:2的基因剂量关系

3. 耐盐相关特征：

   • 盐胁迫响应基因富集于渗透调节（脯氨酸/可溶性糖合成）和抗氧化系统（POD活性）

   • 发现扩张的CYP450（细胞色素P450）基因家族可能参与次生代谢调控

【结论与展望】

该研究构建了目前质量最高的Zoysia属参考基因组（QV=36.31），填补了耐盐植物基因组资源的空白。通过揭示盐腺发育相关基因的进化模式，为禾本科作物耐盐育种提供了新靶点。未来可结合GWAS分析挖掘其特有的结构变异（SV），推动海岸带生态修复植物的分子设计育种。基因组数据已保存于NCBI（GCA_049640385.1）和figshare平台。