Plant J. |耐寒多年生麦草的遗传改良：从表型、染色体组成到基因表达的系统解析

摘要：全球农业正面临气候变化、土壤退化和粮食安全的多重压力。一年生作物的集约化种植加剧了生态失衡。多年生作物因生长周期长、根系发达和环境胁迫耐受性好，被视为可持续农业的关键。中间偃麦草（Thinopyrum intermedium，2n=6x=42，StStJrJr

全球农业正面临气候变化、土壤退化和粮食安全的多重压力。一年生作物的集约化种植加剧了生态失衡。多年生作物因生长周期长、根系发达和环境胁迫耐受性好，被视为可持续农业的关键。中间偃麦草（Thinopyrum intermedium，2n=6x=42，StStJrJrJvsJvs）是培育多年生作物的重要遗传资源，具有根系发达、耐寒、耐旱、耐盐等特性。然而，其籽粒小、产量低等因素限制了实际应用。通过远缘杂交，将小麦的籽粒控制和耐寒性相关基因的染色体导入到中间偃麦草中，可培育出耐寒的多年生麦草。在提高籽粒大小的同时，保持中间偃麦草耐寒和多年生特性，这一策略是突破中间偃麦草应用限制的关键路径。目前，中间偃麦草的亚基因组组成及其与小麦远缘杂交后代的遗传变异特性尚不清楚，本研究从染色体和基因表达水平等方面开展了一些探索。

2025年5月9日，哈尔滨师范大学黑龙江省分子细胞遗传学与遗传育种重点实验室联合中国科学院遗传与发育生物学研究所和湘湖实验室（浙江省农业实验室）等单位在ThePlant Journal上在线发表了题为“Cytogenetics and genomics analysis of cold-hardy perennial wheatgrass: insights into agronomic performance, chromosome composition, and gene expression”的研究论文。该研究通过小麦-偃麦草部分双二倍体与中间偃麦草的杂交，培育出两个耐寒多年生麦草品系。研究团队综合运用细胞遗传学和基因组学技术，系统解析了耐寒多年生麦草的农艺性状、染色体组成和基因表达之间的关联，揭示了小麦染色体的引入如何影响寒地多年生麦草遗传结构和表型特征。

1. 多年生麦草品系的耐寒、再生特征和农艺性状表现

研究人员利用小麦-偃麦草部分双二倍体为父本与中间偃麦草杂交，获得杂种F₁代，通过经多代自交筛选出两个个耐寒、割后再生且具多年生性的麦草品系，并对杂种后代的农艺性状进行了多年追踪。品系19-42529356具地下根茎，分蘖能力强，自2013年起在哈尔滨田间种植，株高121-136cm，千粒重5.95-6.73g。品系19-51820443无地下根茎，在部分年份表现出不育性，株高变化较大（80-132cm），千粒重4.83-5.02g。两个品系后代（编号21-42529356和21-51820443）的农艺性状表现稳定（图1）。

图1. 多年生麦草品系的形态特征

2. smGISH揭示中间偃麦草（IWG）亚基因组染色体组成

利用百萨偃麦草（Th.bessarabicum）Jb基因组（红色）和二倍体拟鹅观草（Ps.strigosa）St基因组（绿色）探针进行的第一轮GISH分析显示，中间偃麦草的3个亚基因组分别由14条染色体组成，标记为St（浅绿色）、Jr（深粉色）和Jvs（浅粉色）。第二轮GISH分析采用中国春小麦ABD基因组（红色）和簇毛麦（D.villosum）V基因组（绿色）探针发现，除了端粒和着丝粒区域外，小麦的ABD基因组与中间偃麦草的Jr（深红色）和Jvs（浅红色）亚基因组显示出显著同源性，杂交信号强烈。根据St基因组探针在着丝粒区域的信号差异，Jvs亚基因组染色体可分为I型和II型。结合中间偃麦草参考基因组数据和V基因组探针与Jvs染色体的独特杂交结果，认为Jvs亚基因组可称为Vsj。通过核型分析进一步确定，I型Jvs染色体包括1、5、7部分同源群染色体，II型Jvs染色体则涵盖为2、3、4、6部分同源群染色体（图2）。

图2. 中间偃麦草（Thinopyrum intermedium，2n=6x=42，StStJrJrJvsJvs）的smGISH分析

3. 多年生麦草品系亚基因组染色体的smGISH分析

通过smGISH分析发现，品系19-42529356（2n=47）在2018年和2020年均包含11条小麦染色体和36条中间偃麦草染色体，具体组成为12条St、11条Jr、6条IJvs和7条IIJvs亚基因组染色体。与中间偃麦草相比，该品系缺失2条St、3条Jr和1条Jvs亚基因组染色体。品系19-51820443在2018年具有11条小麦染色体和35条中间偃麦草染色体（2n=46），其亚基因组染色体组成为11条St、11条Jr、6条IJvs和7条IIJvs，缺失7条中间偃麦草染色体，包括3条St、3条Jr和1条Jvs（图3）。

图3. 品系19-42529356和19-51820443的smGISH分析

4. 基于RNA-seq的SNP溯源与染色体完整性分析

基于RNA-seq数据，研究人员将短读长序列与中国春小麦和中间偃麦草的联合参考基因组进行比对分析。品系19-42529356在2018年和2020年均稳定包含11条小麦染色体，其中仅有6D染色体末端存在一个75Mb的片段缺失，其余10条小麦染色体在两年中均保持完整。对于品系19-51820443，2018年检测到11条小麦染色体，但3A和7D染色体末端存在缺失；而到2020年，该品系仅保留5A和6D染色体。小麦染色体的端部缺失可能是其无法稳定遗传的因素之一。结合2018年和2020年的染色体完整性分析以及地下茎观察结果，推测5St和7St染色体可能与地下根茎的发生相关（图4 ）。

图4 . RNA-seq reads比对分析多年生麦草品系亚基因组染色体完整性

5. 多年生麦草品系的全基因组基因表达解析

与中间偃麦草相比，两个多年生麦草品系的偃麦草染色体基因表达普遍受到抑制，且在保守基因中的抑制现象比在物种特异性基因中更为显著。其中，含有更多小麦染色体的品系19-42529356展现出了更强的基因表达抑制，这表明小麦成分的存在会导致某些偃麦草基因的表达下调。与中间偃麦草相比，在两个麦草品系中低表达基因所占的比例有所增加。品系19-42529356与中间偃麦草相比，在15对偃麦草染色体上的基因表达存在显著抑制现象，尤其在2Jr、3Jr、5Jr、5Jvs、6Jvs、7Jvs、7Jr和7St染色体上（图5）。

图5 . 基因表达分析

差异表达分析显示，与中间偃麦草相比，两个多年生麦草品系在2018年和2020年分别鉴定出45,397个和47,534个差异表达基因。这些差异表达基因在染色体末端显著富集，且在保留的偃麦草染色体上，下调基因数量多于上调基因，尤其在7Jr染色体上最为明显。在品系19-42529356中，下调基因与细胞分裂和DNA修复通路密切相关，而上调基因主要涉及与寒冷和缺水响应，表明导入的小麦染色体能够上调与耐寒性和水分胁迫响应相关基因，从而帮助植株维持耐寒性和越冬能力。qRT-PCR验证发现，来自中间偃麦草染色体的三个冷响应基因Thint.J05G452200、Thint.J05G452300和Thint.V05G408900在4℃条件下表现出差异表达，且它们在小麦中的同源基因位于5A、5B和5D染色体上，已被证实与耐寒性相关（图6）。与中间偃麦草相比，两个麦草品系的籽粒性状表现更好，这可能与小麦第六同源群染色体上籽粒性状相关基因TraesCS6D02G287800的存在有关。

图6 . GO富集分析与基因定位

本研究通过远缘杂交和寒冷环境选择培育的耐寒多年生麦草，保留了携带耐寒性和控制籽粒性状基因的小麦染色体。研究发现，寒冷环境促进了小麦和偃麦草染色体间稳定遗传平衡的形成。这一发现为解析远缘杂交后代的基因表达调控机制提供了新见解，并为设计多年生小麦及其他多年生作物的育种策略奠定了基础。

哈尔滨师范大学黑龙江省分子细胞遗传学与遗传育种重点实验室已毕业硕士生赵心宇和中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生张志蒙为论文共同第一作者。哈尔滨师范大学张延明教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所贺飞研究员，以及湘湖实验室李洪杰研究员为论文共同通讯作者。黑龙江省农业科学院草业研究所赵海滨研究员、山西农业大学崔磊研究员、湘湖实验室曲云峰博士和中国科学院遗传与发育生物学研究所谢菁忠博士也参与了本研究。

由衷感谢南京农业大学亓增军教授、成都电子科技大学杨足君教授、美国堪萨斯州立大学Dalhoe Koo博士和中国科学院遗传与发育生物学研究所的博士研究生李轩照同学对本研究提供的大力支持。本研究获得以下项目资助：国家自然科学基金重大项目、黑龙江省本科高校基本科研业务费、黑龙江省自然科学基金、哈尔滨师范大学硕士研究生创新项目、黑龙江省大学生创新创业训练计划、山西省自然科学基金和国家重点研发计划项目。