近日，廣西甘蔗生物育種實(shí)驗(yàn)室、亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣西大學(xué)張積森教授團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊New Phytologist上在線發(fā)表了題為Evolution of Paleo-Duplicated Chromosome Pairs with Enrichment of NBS-LRR Genes Generated through ρ-WGD in Poaceae的研究論文。該研究系統(tǒng)揭示了禾本科植物在經(jīng)歷一次古老的全基因組復(fù)制（ρ-WGD）事件后所形成的古復(fù)制染色體對(duì)（Paleo-duplicated chromosome pairs, PdCPs）的演化歷程、轉(zhuǎn)錄特征及其獨(dú)特的表觀遺傳調(diào)控模式，為深入理解禾本科基因組進(jìn)化機(jī)制及抗病基因調(diào)控提供了全新視角。

禾本科中包含了重要的糧食和經(jīng)濟(jì)作物如水稻、甘蔗等。張積森團(tuán)隊(duì)在2018年發(fā)表了甘蔗割手密（AP85-441）首個(gè)染色體水平（n = 8）的基因組，研究發(fā)現(xiàn)其染色體基數(shù)相較于高粱的10條減少為8條，這是由于與甘蔗中的一對(duì)PdCPs（Chr05和Chr08）分裂后融合所致（Zhang et al., Nature Genetics, 2018）。團(tuán)隊(duì)在2022年發(fā)表了第二個(gè)割手密（Np-X）基因組(n = 10)，其保持有完整的祖先核型，未發(fā)生染色體的重排，研究發(fā)現(xiàn)這對(duì)PdCPs（Chr05和Chr08）顯著富集抗病相關(guān)的NBS-LRR基因，其整體轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平卻長期維持在較低狀態(tài)（Zhang et al., Nature Genetics, 2022），在甘蔗復(fù)合體的研究中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象保守存在（Wang et al., Nature Plants, 2023）。對(duì)古染色體對(duì)進(jìn)行更深入的研究對(duì)理解甘蔗乃至禾本科的抗病調(diào)控機(jī)制具有重要意義。

為了深入解析古染色體對(duì)在禾本科內(nèi)的演化命運(yùn)與調(diào)控規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)包括水稻、高粱在內(nèi)的37個(gè)禾本科物種基因組開展了系統(tǒng)的核型分析與進(jìn)化比較，繪制了NBS-LRR基因的跨物種分布圖譜，并在多個(gè)代表性物種中整合分析了轉(zhuǎn)錄組與表觀基因組數(shù)據(jù)。

圖一 古復(fù)制染色體對(duì)在禾本科內(nèi)的演化

研究發(fā)現(xiàn)，禾本科植物中共保留了三對(duì)由ρ-WGD事件產(chǎn)生的PdCPs，它們?cè)诤瘫究崎L期演化過程中發(fā)揮著重要作用，并在不同亞科間呈現(xiàn)出差異化的染色體重排模式。尤為引入注目的是，其中一對(duì)具有共同祖源關(guān)系的PdCPs（AGK7血緣）在多個(gè)禾本科亞科中持續(xù)富集NBS-LRR抗病基因，并始終保持保守而穩(wěn)定的低轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)。

圖二 AGK7血緣的PdCPs特異的甲基化修飾

進(jìn)一步的機(jī)制研究表明，該P(yáng)dCPs上基因的低表達(dá)狀態(tài)可能受到多層次表觀遺傳調(diào)控的共同作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）周圍存在保守的CHH類型DNA低甲基化特征。染色質(zhì)狀態(tài)分析表明，該區(qū)域可能維持較為“封閉”的染色質(zhì)構(gòu)象，同時(shí)富集抑制性組蛋白修飾。這些表觀修飾特征協(xié)同作用，對(duì)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄活性形成了長期抑制。

綜上所述，該研究首次在禾本科系統(tǒng)發(fā)育尺度上系統(tǒng)闡述了ρ-WGD衍生的古復(fù)制染色體對(duì)的演化軌跡，并深入解析了其富集的NBS-LRR抗病基因所呈現(xiàn)的特異性轉(zhuǎn)錄模式及表觀調(diào)控機(jī)制。研究成果不僅加深了對(duì)植物全基因組復(fù)制后基因組結(jié)構(gòu)與功能演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也為未來通過表觀遺傳調(diào)控策略改良甘蔗、水稻等作物抗病性提供了重要的理論基礎(chǔ)。

廣西大學(xué)博士研究生王宇浩為論文第一作者。廣西大學(xué)張積森教授、張清教授為共同通訊作者。張積森教授團(tuán)隊(duì)2025屆博士畢業(yè)生齊浥穎（現(xiàn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授），廣西大學(xué)科研助理張以星、博士研究生汪柏宇、孫曉麗、丁洪艷，以及福建農(nóng)林大學(xué)徐景升教授等共同參與了本研究。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣西科技重大專項(xiàng)、廣西“八桂學(xué)者”人才計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目的支持。

參考文獻(xiàn)：

Zhang, J., Zhang, X., Tang, H. et al. (2018). Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L. Nature Genetics 50:1565–1573.

Zhang, Q., Qi, Y., Pan, H. et al. (2022). Genomic insights into the recent chromosome reduction of autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum. Nature Genetics 54:885–896.

Wang, T., Wang, B., Hua, X. et al. (2023). A complete gap-free diploid genome in Saccharum complex and the genomic footprints of evolution in the highly polyploid Saccharum genus. NaturePlants 9:554–571.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1111/nph.70862