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搭建覆盖全部10个亚种的高质量基因组骨架
研究团队对12份四倍体小麦材料进行了从头组装，覆盖全部10个已知亚种，其中硬粒小麦品种Kronos的组装连续性最高，其余11个基因组的组装质量也普遍达到主流水准。全部12个基因组均实现了染色体级别的高完整度组装，并通过CENH3染色质免疫共沉淀（ChIP-seq）确定了着丝粒区域，同时鉴定出大量高置信度基因。
Figure 1. 品型和基因组特征
科研前沿 · 泛基因组
小麦育种长期以来面临一个共性问题：单一参考基因组无法覆盖一个物种真实存在的遗传多样性。这一问题在四倍体小麦（Triticum turgidum L.，基因组组成BBAA）中表现得尤为突出。四倍体小麦是通心粉、布格麦、库斯库斯等非面包类食品的主要原料，年产量达3700万—4000万吨，同时也是六倍体面包小麦（BBAADD）B、A两个亚基因组的供体。它涵盖从野生型、驯化地方品种到现代改良品种的完整谱系，进化历史约为面包小麦的80倍，遗传多样性也远高于面包小麦。此前已有野生二粒小麦Zavitan、硬粒小麦Svevo、Langdon等基因组发表，但这些单一参考基因组难以捕捉四倍体小麦10个已知亚种之间的结构变异全貌。
围绕这一空白，来自北京大学现代农业研究院的研究团队开展了迄今为止最完整的四倍体小麦泛基因组构建工作，系统解析了四倍体小麦10个亚种在基因组层面的结构性差异，追溯了这些差异驱动落粒性等驯化性状、穗粒数与粒重等产量性状演化的分子路径，并从中挖掘出一批可直接用于育种的功能基因。
研究单位：北京大学现代农业研究院
泛基因组揭示核心/非核心基因的功能分化
基于12个新组装基因组加Svevo基因组共13份材料，研究构建了泛基因组基因家族图谱，将基因家族划分为核心、软核心、非核心和私有四类。一个关键发现是：核心基因具有更保守的蛋白结构域组成，也承受更强的纯化选择压力，而私有和非核心基因周边的转座子（TE）密度显著更高，提示这类基因的存在/缺失变异（PAV）很大程度上与转座子活动相关。功能富集分析显示，核心基因偏向ATP结合、DNA整合等基础生物学功能，而非核心、私有基因更多富集在根系发育、抗氧化应激等适应性通路中——这与不同亚种的地域分布和生态适应相呼应。系统发育分析进一步将13份材料划分为野生二粒小麦、驯化四倍体小麦、自由脱粒四倍体小麦三个主要类群，并估算出各类群依次分化的大致时间节点。
Figure 2. 13个四倍体小麦品系的泛基因组分析
定位大尺度染色体重排与结构变异
通过12个基因组间的全基因组共线性比对，研究识别出三处大尺度核型变异，分别是埃塞俄比亚小麦（IG77365）中的染色体易位与倒位，以及波斯小麦（NU00021）中的染色体倒位，均经荧光原位杂交（FISH）和Hi-C热图验证。在结构变异（SV）整体层面，B亚基因组的SV数量显著多于A亚基因组，体现出亚基因组间的不对称演化；绝大多数SV都与转座子相关，支持SV主要来源于转座子活化这一假说。
Figure 3. 四倍体小麦基因组中的结构变异
解析Btr1-A基因的多起源驯化路径
非脆穗轴（non-brittle rachis）是小麦驯化的标志性性状，此前研究已知栽培四倍体小麦中Btr1-A基因存在标志性的碱基缺失导致移码突变。而本研究发现，波斯驯化四倍体小麦NU00021虽表现为非脆穗轴表型，却并不携带这一经典缺失突变，而是在Btr1-A编码区存在一段长片段转座子插入，同样导致基因功能丧失。对736份材料中Btr1-A单倍型的分析显示，所有采样到的波斯小麦均携带这一插入变异，提示波斯小麦经历了独立于经典突变路径的驯化事件。这一发现修正了此前"非脆穗轴仅由单一等位变异驱动"的认识。
Figure 4. 结构变异揭示了Btr1-A的选择足迹和多个等位基因
736份种质资源的群体结构与选择信号扫描
在12份基因组的基础上，研究团队对736份全球四倍体小麦材料进行了深度重测序，构建出四倍体小麦遗传变异图谱。群体结构分析（PCA、Admixture）验证了三大类群划分，其中Ispahanicum（伊斯法罕小麦）和格鲁吉亚小麦表现出较高的遗传分化度和较低的渐渗水平，提示存在地理隔离。
Figure 5. 种群结构与进化分析
结合SNP/indel与SV的选择性清除分析，研究分别识别出驯化和改良两个阶段的受选择基因组区间及候选基因。值得注意的是，SNP/indel与SV两种方法识别出的选择位点重叠比例较低，说明SV分析能够捕捉到传统SNP方法遗漏的选择信号。
Figure 6. SNP/indel与结构变异识别的选择信号存在互补性
GWAS定位育种关键位点，并完成两个功能基因的转基因验证
基于373份材料的32个农艺性状表型数据，研究开展了SV和SNP+indel双轨GWAS，共定位287个位点、783个候选蛋白编码基因，其中44个位点仅能通过SV分析识别。
Figure 7. 基于Indel的GWAS分析和HAT14-B 的基因结构和单倍型分析
其中两个基因完成了系统的功能验证：
TtGRAS-A
位于1A染色体，其启动子上游存在一段插入型SV，与千粒重、粒长/粒宽比显著相关。双荧光素酶报告基因实验显示，SV缺失型等位基因的表达活性高于插入型。将TtGRAS-A在六倍体小麦Fielder背景下异源过表达后，转基因株系粒型增大、千粒重及每株有效分蘖数均显著提升。
Figure 8. TtGRAS-A启动子变体双重报告物的测定
HAT14-B
一个HD-ZIP家族转录因子，其编码区存在一处与穗粒数显著关联的indel变异，对应两种主要单倍型Hap1和Hap2。Hap1单倍型的频率从野生二粒小麦到驯化四倍体小麦再到自由脱粒四倍体小麦逐步升高，呈现清晰的选择富集趋势。EMSA实验显示Hap1的DNA结合能力强于Hap2，双荧光素酶实验也显示Hap1启动子活性更高。在Fielder背景下异源表达HAT14-B^Hap1的转基因株系穗长、穗粒数、千粒重、粒长粒宽均显著提升；RNAi敲低株系则表现出相反趋势，从功能获得与功能缺失两个方向证实了该基因对穗粒数和粒型的正向调控作用。
Figure 9. HAT14-B正向调控小穗数和粒大小
技术支持 · ATAGENIX 定制抗体服务
研究中用于鉴定12个基因组着丝粒区域的关键实验环节——CENH3染色质免疫共沉淀（ChIP-seq）所使用的抗体由AtaGenix定制制备。研究团队针对TaCENH3特异性N端序列设计多肽抗原，委托AtaGenix完成兔多克隆抗体的制备与纯化，该抗体最终支撑了全部12份四倍体小麦基因组着丝粒位置的精确定位。
CENH3作为着丝粒特异性组蛋白变体，是近年来植物基因组学，尤其是着丝粒定位、单倍体诱导等研究方向的核心靶点之一。AtaGenix在这一靶点上已积累深厚的项目经验，目前已完成上百个CENH3相关抗体定制项目，覆盖小麦、龙眼、辣椒、葡萄、冬枣、芸薹属等多个物种，相关成果均已发表于学术期刊。此次在四倍体小麦泛基因组这一重量级研究中的应用，也是AtaGenix定制抗体服务能力的又一次直接印证。
感谢您的关注与支持！
普健生物（AtaGenix）将继续提供高质量的抗体定制、蛋白表达等一站式专业技术服务，
助力更多科研突破。
