Mol Plant | 农学院小麦研究中心揭示普通小麦D基因组演化及遗传多态性形成规律
普通小麦(Triticum aestivum，AABBDD)是典型的多倍体作物，复杂的多倍化和驯化过程塑造了其亚基因组间不平衡的遗传多态性分布特征。普通小麦的A&B基因组具有较高的遗传多态性；前期研究表明，多个野生二粒小麦(AABB)支系参与了栽培二粒小麦的早期驯化，促成了栽培小麦A&B基因组的镶嵌式(mosaic)祖源单倍型(ancestral haplotype group，AHG)区段构成，并在演化过程中通过基因渐渗(introgression)进一步丰富了A&B基因组的遗传多态性(Wang, et al., 2022)。相比而言，普通小麦D基因组的遗传多态性较低，前人认为普通小麦的D基因组供体来自于粗山羊草(Aegilops tauschii，DD)的L2支系(Wang, et al., 2013)。但随着高质量基因组组装的完成，研究发现粗山羊草与普通小麦D基因组的局部区间的系统发生关系与全基因组水平存在较大差异(Zhou, et al., 2021; Gaurav, et al., 2022)，关于粗山羊草种群结构仍存在不同认识，普通小麦D基因组起源和遗传多态性的形成基础有待进一步研究。
2024年9月23日，中国农业大学小麦研究中心在Molecular Plant杂志在线发表了题为“On the evolution and genetic diversity of bread wheat D genome”的研究论文。该研究建立了粗山羊草三个主要进化支的系统发生关系，并推测L3可能是最古老的进化支。利用团队前期开发的祖源单倍型鉴定方法，发现普通小麦的D基因组继承了统一的祖源单倍型模板，但其组成不同于任何一份目前收集测序的粗山羊草材料；经溯源分析发现该模板主要由L2进化支的三个亚分支(sub-lineage)组合形成，呈镶嵌式(mosaic)结构。研究在群体水平系统鉴定了普通小麦中粗山羊草来源的渐渗片段，并发现普通小麦D基因组中的遗传多态性主要来自新生突变(novel mutation)的贡献(51.4%)。该研究建立了Ae. tauschii种群和小麦D基因组的起源模型，解析了普通小麦D基因组遗传多态性形成的演化规律，丰富了对多倍体小麦的起源和演化的认识，也为拓宽D基因组的遗传基础和育种改良奠定了理论基础。
粗山羊草三个主要进化支的演化关系及跨分支基因流
研究通过整合世界范围内762份“小麦属-粗山羊草属复合群”材料的重测序数据，构建了小麦D基因组的“泛祖源单倍型图谱”(pan-ancestry AHG map)，实现了普通小麦D基因组向粗山羊草基因组在单倍型水平的溯源。结合细胞质遗传与细胞核遗传证据建立了Ae. tauschii材料的系统发生关系，确定Ae. tauschii存在三个主要进化分支(L1、L2、L3)，并推断L3为最古老的分支(图1A)。通过祖源单倍型构成分析鉴定到了多个跨分支的混杂样本(图1B)，发现个别曾被划分L3类型的样本实际上是由L1和L2两进化支近期杂交混合形成(图1C)。结合细胞质遗传和细胞核基因组的单倍型证据，更新了Ae. tauschii种群的演化模型(图1D)：(1)三个进化支的形成顺序为L3>L1>L2；(2)进化支之间存在一定程度的基因交流，丰富了种群的遗传多态性。
普通小麦D基因组共享一套祖源单倍型模板，而该模板呈“镶嵌式”构成
分析发现，普通小麦材料的D基因组具有高度一致的祖源单倍型模板。进一步溯源分析表明，该模版的祖源单倍型可追溯至多个Ae.tauschii L2的亚分支，具有典型的“镶嵌式”结构特征(图2A)；其中来自L2的三个亚分支贡献了该模版中超70%的区间，是该模版的主要来源；这三个亚分支主要分布在里海西南沿岸地区(图2B)，靠近前人基于基因组学证据推断的六倍体小麦起源地。溯源分析结果进一步表明，该模版单倍型的祖先来源在不同亚分支之间转换的频率显著高于Ae. tauschii材料的转换频率。上述结果表明：(1)普通小麦D基因组起源自多个L2亚分支的组合，是“混血儿”；(2)早期农业活动可能加快了D基因组单倍型模板的重组频率。
基因渐渗与新生突变拓宽了普通小麦D基因组的遗传多态性
该研究在普通小麦群体中系统鉴定了来自Ae. tauschii的基因渐渗(introgression)片段，发现自然渐渗片段较少，L3分支来的源渐渗片段主要集中在5个大区段(图3A)。其中，1D染色体长臂上的一个渐渗区间(403Mb~415Mb)中包含高分子量谷蛋白Glu-D1基因，通过单倍型分析确定L3来源的Glu-D1即为编码Dx5+Dy10类型蛋白的优异品质等位基因，且该基因连锁的渗入区段在传播过程中被重组打断逐渐缩小(图3B)。上述结果表明，相比于A&B基因组中高频基因渐渗，普通小麦D基因组中的Ae. tauschii渐渗事件自然发生的频率较低，但也对拓宽小麦D基因组遗传多态性、加速育种改良具有积极的贡献。
此外，研究在普通小麦群体D基因组中鉴定到了约4.4M个低频的新生SNP突变(novel mutation)，高于继承自粗山羊草种群的多态性位点数量(2.3M)(图3C)。最后，研究量化了早期野生种群多样性继承、基因渐渗与新生突变三个演化过程对普通小麦D基因组遗传多态性的贡献(图3D)，发现三者中新生突变的贡献比例最高(51.4%)。
普通小麦D基因组起源和多样性形成的演化模型
综合以上结果，该研究提出了一个更加精细的普通小麦的D基因组起源和多样性形成的演化模型(图4)，包括四个主要演化过程(1~4)：(1)自约五十万年前形成后，Ae. tauschii经历了长期演化过程，在约一万年前已分化为三个主要进化支(L3>L1>L2)，进化支间存在一定程度的基因交流；(2)初步驯化的栽培四倍体小麦与Ae. tauschii发生跨倍性杂交，并在约八千五百年前形成了最初的六倍体小麦；在早期农业环境的选择下，新形成的六倍体小麦的基因组祖源单倍型组合固定；(3)在六倍体小麦的传播过程，源自粗山羊草各进化支的基因渐渗持续发生，同时(4)新生突变逐渐积累，拓宽小麦D基因组遗传多态性，并逐步形成了现代六倍体小麦的D基因组。
中国农业大学农学院小麦研究中心 倪中福 教授和 郭伟龙 教授为论文共同通讯作者；博士后 王梓豪 为本文第一作者；中国农业大学 孙其信 院士、彭惠茹 教授、姚颖垠 教授、解超杰 教授、辛明明 教授、胡兆荣 教授对该工作进行了指导和帮助，研究生 王文熙、谢小明、杨正钊、牛建霞 及已毕业研究生 何亚超、张晓玉 参与了本工作。中国农业科学院作物科学研究所 张学勇 研究员、澳大利亚默多克大学 Rudi Appels 教授及中国农业大学 缑金营 教授为该工作提供了宝贵建议。该工作得到了国家自然科学基金优秀青年项目、博士后创新人才支持计划和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。本工作也得到了中国农业大学超算平台的支持。
团队介绍
孙其信 院士作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature、Nature Communications、Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文50余篇。