Mol Plant | 化劣勢為優(yōu)勢：王萌等提出利用小麥復(fù)雜基因組特性挖掘特色耐逆基因的策略

除了兩極地區(qū)，小麥的種植范圍幾乎覆蓋全球；與此同時，作為唯一的越冬主糧作物，小麥種植周期長，在某些地區(qū)甚至長達(dá)十個月。因此，小麥的生產(chǎn)安全極易受到高溫、凍害、干旱、土壤鹽漬化等逆境因子的威脅。在當(dāng)下全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)的背景下，挖掘關(guān)鍵耐逆基因并解析其作用機制，繼而利用現(xiàn)代分子育種手段精準(zhǔn)、快速改良小麥耐逆性，培育兼顧高抗、高效和高產(chǎn)的小麥，愈發(fā)受到重視。

然而，在過去很長一段時間里，“同源基因克隆”一直是小麥耐逆基因的主要挖掘手段，原創(chuàng)性和育種針對性都較弱。究其原因，小麥?zhǔn)且粋€異源六倍體作物，意味著大多數(shù)基因都有三個高度相似的拷貝（部分同源基因），而且其基因組中高達(dá)85%都是重復(fù)序列；這樣一個龐大而復(fù)雜的基因組，被認(rèn)為是小麥功能基因組學(xué)研究的最大障礙和劣勢。

近年來小麥參考基因組、泛基因組和多組學(xué)大數(shù)據(jù)的不斷公布，預(yù)示著小麥基礎(chǔ)研究和育種工作進(jìn)入到后基因組時代；如何利用小麥大數(shù)據(jù)信息，促使小麥基因挖掘工作實現(xiàn)從“模仿”向“原創(chuàng)”、從“同源基因克隆”向“特色基因挖掘”的突破，業(yè)已成為一個新的課題。近日，中國科學(xué)院南京土壤研究所王萌博士與國內(nèi)外專家合作，打破“小麥基因組的多倍性和高度重復(fù)性是功能基因挖掘最大障礙”的傳統(tǒng)慣性思維，基于近期業(yè)內(nèi)關(guān)于小麥復(fù)雜基因組與其廣泛適應(yīng)性之間關(guān)系的新思考，及團隊在小麥特色耐鹽基因研究方面的新經(jīng)驗（Wang et al., Nature Genetics，2024等），提出了“基因組特性是小麥特色耐逆基因挖掘應(yīng)用獨到切入點”的全新觀點和研究策略，相關(guān)成果以Turning barrier to benefit: exploiting unique genomic features to identify stress-tolerance drivers in bread wheat為題在Molecular Plant發(fā)表。

作者指出，多倍化、轉(zhuǎn)座子等是形成自然變異和新基因的重要遺傳驅(qū)動力，因此，呼吁業(yè)界要重新審視小麥基因組的多倍性和高度重復(fù)性，化劣勢為優(yōu)勢。更重要的是，基于小麥基因組兩大特性的獨特優(yōu)勢，作者提煉出“低表達(dá)的部分同源基因”、“打破抗逆-產(chǎn)量拮抗性的基因”、“遠(yuǎn)端/串聯(lián)重復(fù)基因”、“表達(dá)重編程基因”等四類小麥中的特色耐逆基因資源。進(jìn)一步通過分析四類特色基因的形成機制和剖析案例，系統(tǒng)提出了小麥特色耐逆基因的挖掘策略和應(yīng)用優(yōu)勢。該研究不僅為小麥功能基因組學(xué)研究和耐逆育種提供了一個新切入點，也將為其他具有類似復(fù)雜基因組特性的作物研究提供思路參考。

中國科學(xué)院南京土壤研究所王萌博士為論文的通訊作者和第一作者，施衛(wèi)明研究員、山東大學(xué)夏光敏教授、澳大利亞墨爾本大學(xué)Herbert J. Kronzucker教授為論文的合作作者。研究得到了中國科學(xué)院鹽堿地重大科技攻關(guān)、國家重點研發(fā)、江蘇省杰青、基金委等項目的支持。

作者簡介：

王萌，中國科學(xué)院南京土壤研究所副研究員，衛(wèi)志明青年創(chuàng)新獎、中國科協(xié)青年人才托舉工程、江蘇省杰青/優(yōu)青、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員等獎項獲得者。近年來，圍繞“小麥-鹽堿地互作的遺傳機制”研究方向，以基因組特性為抓手，挖掘小麥特色耐性基因，通訊或第一作者成果發(fā)表于Nature Genetics、Molecular Plant、Trends in Plant Science、Trends in Biotechnology、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology等期刊。擔(dān)任Journal of Plant Physiology、WheatOmics等期刊編委，iMeta、Modern Agriculture等期刊青年編委，及中國植物生理與植物分子生物學(xué)學(xué)會理事、植物與環(huán)境專業(yè)委員會委員，中國植物營養(yǎng)與肥料學(xué)會植物營養(yǎng)分子生理專業(yè)委員會委員，江蘇省植物生理學(xué)會常務(wù)理事、青年工作委員會主任。