大麦野生近缘种Hordeum bulbosum单倍型解析泛基因组揭示多倍体起源与抗病基因进化

本研究针对作物野生近缘种基因资源利用效率低的难题，构建了首个包含32个单倍型的Hordeum bulbosum（球茎大麦）泛基因组。通过PacBio HiFi测序和Hi-C技术，研究人员解析了该物种二倍体与四倍体基因组的进化关系，发现四倍体至少独立起源两次并通过基因流相互联系。研究揭示了转座子扩增导致的基因组大小差异机制，并精确定位了抗病毒基因Ryd4Hb所在的NLR（核苷酸结合域-亮氨酸重复序列）基因簇结构变异。该成果为作物野生近缘种资源利用提供了基因组学工具，发表于《Nature》杂志。

在作物改良领域，野生近缘种蕴藏着抗病、抗逆等宝贵基因资源，但生殖隔离和基因组资源匮乏长期制约着这些资源的开发利用。作为栽培大麦（Hordeum vulgare）最近的野生近缘种，球茎大麦（H. bulbosum）具有突出的抗病特性，然而其复杂的遗传背景（包含二倍体和四倍体类型）使得基因渗入育种进展缓慢。更棘手的是，野生种基因组结构变异频繁，传统分子标记难以精确定位有益基因，导致育种过程中常伴随不良性状的连锁传递。

为解决这些难题，德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所（Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, IPK）的Jia-Wu Feng等研究人员开展了这项开创性研究。他们采用第三代测序技术，构建了包含10个个体32个单倍型的球茎大麦泛基因组，揭示了四倍体的多起源模式，解析了抗病毒基因Ryd4^Hb的结构基础。这项研究不仅为作物野生近缘种资源利用提供了基因组导航图，更建立了多倍体复杂基因组解析的新范式，相关成果发表在《Nature》主刊。

研究团队主要运用了四项关键技术：1）PacBio HiFi长读长测序结合Hi-C染色体构象捕获技术，实现单倍型水平基因组组装；2）基于流式分选和单花粉核测序的遗传图谱构建；3）寡核苷酸荧光原位杂交（FISH）验证基因组组装准确性；4）Minigraph-Cactus流程构建泛基因组图谱。样本来源于地中海至中亚地区的260个自然群体，包含已知抗病基因供体A17、A40等关键材料。

单倍型解析的参考基因组
研究首先对希腊二倍体材料FB19-011-3进行染色体水平组装，通过单花粉核测序验证发现仅有1.01%SNP位点存在相位错误。FISH实验证实了5H染色体长臂单拷贝区的单倍型特异性信号分布，为后续分析奠定基础。

泛基因组结构变异
比较32个单倍型发现，球茎大麦与栽培大麦基因组差异主要源于转座子（TE）的动态扩增。Gypsy类逆转录转座子在球茎大麦远端区域的活跃插入使其基因组局部扩展，而BARE-1家族在栽培大麦中的特异性扩增导致整体基因组增大。值得注意的是，四倍体单倍型间存在243Mb的大规模倒位，这可能影响减数分裂重组频率。

多倍体的多起源模式
群体遗传分析显示，来自利比亚的二倍体PI365428代表早期分化谱系，而中亚四倍体GRA2256-1与希腊四倍体FB19-001-1分别独立起源。基因流分析表明希腊地区的四倍体与当地二倍体存在频繁杂交，形成复杂的网状进化格局。

抗病基因渗入应用
通过分析已知渗入系，研究人员绘制出1,085Mb的球茎大麦基因组渗入图谱，其中65%的NLR基因位于高频渗入区。在抗BYDV病毒（Barley yellow dwarf virus）的Ryd4^Hb位点，发现H. bulbosum携带2-23个NLR基因，远超栽培大麦的2-21个。结构变异分析揭示该位点与小麦抗秆锈病基因Sr35存在共线性关系，为抗病基因工程提供了新靶点。

这项研究首次在基因组尺度解析了球茎大麦的遗传多样性全景。四倍体的多起源历史提示野生近缘种可能存在更复杂的适应性进化机制；而转座子驱动的基因组重塑现象，为解释近缘种间生殖隔离提供了新视角。特别重要的是，研究建立的单倍型解析技术体系，使得精准追踪野生种染色体片段成为可能，将显著提高基因渗入育种的效率。正如论文通讯作者Martin Mascher指出："这些资源将使育种家能够像使用栽培品种基因一样方便地利用野生近缘种基因"。该成果不仅对大麦育种具有直接应用价值，其技术路线也为其他作物野生资源的开发利用提供了重要参考。