Plant Com | 中国农科院深圳农业基因组研究所团队构建小麦泛NLR图谱并揭示其遗传多样性与进化

摘要：2025年10月14日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所宋波研究员/程时锋研究员在Plant Communications发表了题为The pan-NLRome and diversity of Watkins wheat provide genetic r

2025年10月14日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所宋波研究员/程时锋研究员在Plant Communications发表了题为The pan-NLRome and diversity of Watkins wheat provide genetic resources for improving disease resistance and adaptation的研究论文。该研究利用小麦已发表基因组和群体重测序数据构建综合全面的泛NLR基因图谱，从序列和结构等层面系统揭示小麦NLR基因的遗传多样性。基于构建的pan-NLRome和多种抗病表型联合分析，鉴定到许多抗病性状的关键候选基因。通过对NLR pair的系统研究，首次提出NLR基因空间对（Spatial pair）的概念，进一步丰富了NLR pair的研究。

研究背景

小麦（Triticum aestivum）作为全球最重要的主粮作物之一，提供了人类18%的热量摄入和19%的膳食蛋白质。根据全球人口增长和饮食模式变化的预测，小麦产量需求预计将持续增加。然而，多种病原体的普遍存在严重阻碍了全球小麦产量，给实现供需平衡带来了挑战。面对不断进化的病原体群体，发现和利用抗性基因是育种工作的关键环节。植物中的核苷酸结合域富含亮氨酸重复序列（NLR）受体蛋白在赋予植物抗病性方面起着关键作用，并且在与病原体的共同进化过程中表现出显著的遗传多样性。因此，构建遗传变异丰富的抗性基因图谱可以作为抗病育种的宝贵资源。

研究内容

该研究利用六倍体小麦10+基因组结合1, 036份Watkins小麦种质10×重测序数据，构建了全面的小麦Pan-NLRome，包含8, 056个非冗余NLR基因。研究发现，当样本量达到60左右时，pan-NLRome接近95%饱和度（图1A）。NLR类型分布表明，CN类型NLR基因占比最高，其次为NB类型（图1B）。NLR结构多样性分析发现，pan-NLRome包含36个不同种类的整合结构域（Integrated domain），其中19个未在中国春（Chinese Spring）基因组中发现（图1C），表明pan-NLRome可以极大丰富NLR基因结构域多样性。

图1 小麦泛NLR基因图谱的基本特征

研究人员将1, 036份六倍体小麦重测序数据比对到pan-NLRome，在群体中构建NLR基因的存在和缺失（PAV）矩阵，分析发现，分别有553，6, 069和1, 434个NLR基因划分到core，shell和cloud三个类型（图2A）。同时，NLR基因在驯化改良过程中表现出获得的总趋势（图2B），基于PAV的群体结构能将该遗传群体清晰划分为landrace和cultivar两个亚群（图2C）。进一步对不同亚群的NLR基因频率的分布比较发现，共有1, 316和1, 179个改良过程中显著获得和丢失的NLR基因（图2D），这些可能是抗病性状改良过程中的关键基因。

图2 泛NLR基因图谱的遗传多样性

此外，研究者在中国春基因组中鉴定到185个NLR物理对（physical pair），提出并鉴定到221个NLR空间对（spatial pair）。利用抗病表型和环境因子等不同性状，通过GWAS关联分析挖掘到许多抗病和环境适应性相关的候选基因位点，为小麦育种工作提供理论基础。

研究团队

中国农科院深圳农业基因组研究所已毕业博士宁卫东（现崖州湾国家实验室博士后）为论文第一作者，宋波研究员和程时锋研究员（现香港大学教授）为本文共同通讯作者，华中农业大学谢为博教授对本研究提供了重要指导和帮助。本研究得到国家重点研发计划（2023YFF1000100）、中国农科院创新工程（CAAS-ASTIP-2021-AGIS-ZDRW202101）以及深圳市科技项目（AGIS-ZDKY202002）的资助。

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com