陜西
紫花苜蓿是全球分布最廣，種植面積最大的多年生豆科牧草，由于其產(chǎn)草量高、蛋白質(zhì)含量豐富、適應(yīng)性強(qiáng)，被譽(yù)為“牧草之王”，是全球草食畜牧業(yè)穩(wěn)固發(fā)展的重要保障。紫花苜蓿的同源四倍體遺傳特性，不僅賦予了其優(yōu)良的生產(chǎn)性能和廣泛的適應(yīng)性，也為挖掘逆境適應(yīng)性關(guān)鍵基因提供了豐富的遺傳資源。面對全球氣候變化帶來的極端環(huán)境挑戰(zhàn)，深度挖掘并利用紫花苜蓿的抗逆基因，通過分子設(shè)計(jì)育種手段培育出廣適高產(chǎn)苜蓿新品種，不僅是飼草產(chǎn)業(yè)升級的迫切需求，更是保障國家糧食安全的戰(zhàn)略性舉措。
近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所與農(nóng)業(yè)基因組所合作在Nature Communications在線發(fā)表了題為“
Medicago
super-pangenome
reveals adaptive advantages and evolutionary constraints in autotetraploid alfalfa”的研究論文，揭示了多倍化在紫花苜蓿等多倍體作物中的“雙刃劍”角色。一方面，多倍化顯著提升環(huán)境適應(yīng)性，多倍化為適應(yīng)性進(jìn)化提供了更多的基因拷貝，轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)也證實(shí)其能夠顯著提高產(chǎn)量和氮肥利用效率。但另一方面，基因組多倍化提供了更大的容錯空間，導(dǎo)致多倍體基因組累積大量有害變異和結(jié)構(gòu)變異，遺傳負(fù)荷顯著提升，因而成為制約育種效率的遺傳瓶頸。該工作精準(zhǔn)定位了紫花苜蓿逆境適應(yīng)性育種的核心遺傳靶點(diǎn):四拷貝核心基因。首次揭示了制約其遺傳改良的關(guān)鍵瓶頸：四拷貝核心基因累積的大量有害變異。正是這些變異維持了紫花苜蓿的自交不親和特性，從而阻礙了高效育種所需的純系建立。這一發(fā)現(xiàn)為培育廣適高產(chǎn)新品種提供了全新的育種策略。
研究團(tuán)隊(duì)以核心栽培品種‘中苜4號’為基礎(chǔ)，完成了其參考基因組的迭代升級，獲得了Contig N50為5.45 Mb、基因組大小為3.13 Gb的高質(zhì)量版本（ZM4_V2.0），并注釋了202,473個基因。該基因組的連續(xù)性和完整性相較于已有版本實(shí)現(xiàn)了顯著提升。進(jìn)一步整合了苜蓿屬共13個基因組，鑒定出69,767個同源基因家族以及494,797個結(jié)構(gòu)變異，構(gòu)建了苜蓿屬的遺傳變異全景圖譜（圖1）。
圖1 13個苜蓿屬基因組的共線性分析
通過分析紫花苜蓿等位基因變異發(fā)現(xiàn)，僅有20.1%的基因具有四個拷貝。進(jìn)一步比較基因拷貝數(shù)變異和泛基因組特征發(fā)現(xiàn)，四拷貝基因中的53.3%屬于核心基因，因此我們定義了一類“四拷貝核心基因”。而單劑量基因中的41.7%屬于非必須基因，因此我們定義了“唯一必要基因”。最終我們將全部紫花苜蓿的基因分為6類進(jìn)行后續(xù)分析（圖2）。
圖2 紫花苜蓿6類基因分組框架
富集分析為四拷貝核心基因在逆境適應(yīng)中的關(guān)鍵作用提供了兩方面有力證據(jù)。首先，與環(huán)境適應(yīng)性直接相關(guān)的基因在該類別中顯著富集了1.6倍（圖3A）。其次，在逆境脅迫響應(yīng)中，四拷貝核心基因同樣捕獲了最高比例的差異表達(dá)基因，富集倍數(shù)為1.61倍（圖3B）。這兩項(xiàng)獨(dú)立的分析共同表明，四拷貝核心基因是紫花苜蓿響應(yīng)并適應(yīng)環(huán)境變化的核心功能模塊。
圖3 四拷貝核心基因?qū)τ谔嵘h(huán)境適應(yīng)性具有顯著貢獻(xiàn)。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)四拷貝核心基因?qū)俎＿z傳改良是一把“雙刃劍”。一方面，四拷貝核心基因?qū)υ鰪?qiáng)環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮重要作用；另一方面，其內(nèi)在的大量有害變異在四拷貝核心基因中被掩蓋和固化（圖4）。這些潛在的有害變異，是紫花苜蓿自交過程中表現(xiàn)出嚴(yán)重近交衰退的主要原因，從而使紫花苜蓿具有自交不親和特性，也阻礙了自交純系的創(chuàng)制。因此，通過分子設(shè)計(jì)手段充分利用四拷貝核心基因的適應(yīng)性優(yōu)勢，精準(zhǔn)清除有害變異，是打破育種瓶頸、實(shí)現(xiàn)紫花苜蓿廣適高產(chǎn)抗逆育種的重要策略[2-7]。
圖4 不同類別基因中有害變異的積累與分布
為功能性驗(yàn)證四拷貝核心基因在生長和適應(yīng)中的關(guān)鍵作用，我們以其中的代表性基因MsGDC（glycine decarboxylase gene）為例，構(gòu)建了轉(zhuǎn)基因材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀地證實(shí)其明顯的功能：無論是在紫花苜蓿還是在模式植物蒺藜苜蓿中，過表達(dá)MsGDC均能顯著提高產(chǎn)量，并增強(qiáng)蒺藜苜蓿的氮肥利用效率（圖5）。
圖5 四拷貝核心基因MsGDC的適應(yīng)性優(yōu)勢與遺傳負(fù)荷
基于上述結(jié)果，我們提出了多倍化的演化模型（圖6）。四個不同物種(A-D)的泛基因組分析示意圖：基因類別（核心、軟核心等）用顏色編碼，有害變異用紅條標(biāo)記。在全基因組加倍后，一部分核心基因被保留為四個等位拷貝（四拷貝核心基因，以黃色背景和紅色虛線框突出顯示），這些基因是提升氣候適應(yīng)性的重要貢獻(xiàn)者。對于每個基因集，一個等位基因的高表達(dá)可能主要負(fù)責(zé)響應(yīng)氣候適應(yīng)性，另外三個等位基因可能是調(diào)節(jié)功能等位基因的表達(dá)。然而，這些適應(yīng)性優(yōu)勢可能會帶來長期的代價。適應(yīng)過程可導(dǎo)致有害變異的積累，這種現(xiàn)象被稱為遺傳負(fù)荷。隨著時間的推移，這種負(fù)荷在四拷貝核心基因內(nèi)的過度積累，最終可能損害同源多倍體的適應(yīng)性，并可能導(dǎo)致同源多倍體走向一個進(jìn)化的“死胡同”。
圖6 多倍化在紫花苜蓿等多倍體作物中的“雙刃劍”角色
中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組所博士后張帆，北京畜牧獸醫(yī)研究所已畢業(yè)碩士生尉春雪和中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組所博士生史小丫為共同第一作者，中國農(nóng)科院北京畜牧獸醫(yī)研究所楊青川研究員、康俊梅研究員和中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院周永鋒研究員為共同通訊作者。華盛頓州立大學(xué)張志武教授、基因組所徐小東博士、馬志堯博士、彭艷玲博士等參與了該研究。項(xiàng)目研究得到了農(nóng)業(yè)生物育種重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。
參考文獻(xiàn)：
1. Fan Zhang#, Chunxue Wei#, Xiaoya Shi#, …, Junmei Kang*, Yongfeng Zhou*, Qingchuan Yang*. Medicago super-pangenome reveals adaptive advantages and evolutionary constraints in autotetraploid alfalfa [J]. Nature Communications, 2025.
2. Fan Zhang#, Ruicai Long#, Zhiyao Ma, …, Yongfeng Zhou*, Qingchuan Yang*. Evolutionary genomics of climatic adaptation and resilience to climate change in alfalfa[J]. Molecular Plant, 2024, 17, 867–883.
3. Fan Zhang, Junmei Kang, Ruicai Long, …, Zhiwu Zhang*, Qingchuan Yang*. Application of machine learning to explore the genomic prediction accuracy of fall dormancy in autotetraploid alfalfa [J]. Horticulture Research, 2022.
4. Fei He#, Ming Xu#, Ruicai Long#, …, Fan Zhang*. Integrative multi-omics and genomic prediction reveal genetic basis of early salt tolerance in alfalfa[J]. Journal of Genetics and Genomics, 2025.
5. Zhongjie Liu#, Nan Wang#, Ying Su#, …, Jinggui Fang*, Hua Xiao*, Yongfeng Zhou*. Grapevine pangenome facilitates trait genetics and genomic breeding[J]. Nature Genetics, 2024, 56(12): 2804-2814.
6.Xu Wang#, Zhongjie Liu#, Fan Zhang, …, Yongfeng Zhou*. Integrative genomics reveals the polygenic basis of seedlessness in grapevine[J]. Current Biology, 2024, 34(16): 3763-3777. e5.
7. Fei He, Shuai Chen, Yangyang Zhang, …, Xingtan Zhang*, Ruicai Long*, Qingchuan Yang*. Pan-genomic analysis highlights genes associated with agronomic traits and enhances genomics-assisted breeding in alfalfa[J]. Nature Genetics, 2025: 1-12.
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-67280-9
特別聲明：以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布，本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
