柏連陽院士團(tuán)隊(duì)公布稻田雜草千金子基因組并揭示其在中國(guó)的傳播機(jī)制

2022年5月5日，湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院柏連陽院士團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)TOP期刊Molecular Plant（2021年IF=13.16，即時(shí)IF=21.0）在線發(fā)表題為“Genomic insights into the origin, adaptive evolution and herbicide resistance of Leptochloa chinensis, a devastating tetraploid weedy grass in rice fields”的研究論文。該論文首次公布了稻田惡性雜草千金子的染色體級(jí)別參考基因組，揭示了千金子的基因組特征及虎尾草亞科的進(jìn)化機(jī)制。鑒定到與除草劑耐受性有關(guān)的基因家族特異性擴(kuò)張，并揭示了中國(guó)千金子的群體結(jié)構(gòu)及傳播機(jī)制。

草害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中三大生物災(zāi)害之一。雜草種類多，危害大，每年導(dǎo)致世界糧食產(chǎn)量損失相當(dāng)于約10億人的口糧。我國(guó)糧食作物播種面積85%以上受雜草危害，每年造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1200億元。水稻是世界主要糧食作物，隨著輕簡(jiǎn)化栽培方式的大面積推廣，稻田雜草出現(xiàn)種類增多、多發(fā)混發(fā)的趨勢(shì)，除了傳統(tǒng)惡性雜草稗草，千金子等種群逐漸演變?yōu)閮?yōu)勢(shì)種，在中國(guó)南方部分直播稻區(qū)，千金子已經(jīng)演化成為第一大惡性雜草。生產(chǎn)上適用于防除千金子的除草劑不多，主要是氰氟草酯、噁唑酰草胺等ACCase類除草劑，長(zhǎng)期連續(xù)使用導(dǎo)致千金子已普遍產(chǎn)生了抗藥性，進(jìn)一步增大了其防治難度。

該研究公布了千金子的染色體級(jí)別參考基因組和中國(guó)千金子的遺傳變異圖譜。研究發(fā)現(xiàn)四倍體千金子基因組約在1090萬年前由兩個(gè)二倍體祖先結(jié)合形成，作者首次對(duì)千金子的兩套亞基因組進(jìn)行了劃分，研究表明千金子的兩套亞基因組既沒有發(fā)生分離偏好性也沒有發(fā)生亞基因組表達(dá)量的偏好性。通過比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，千金子從其虎尾草亞科共同祖先分離出來后，發(fā)生了大量的染色體重排，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，千金子中許多抗除草劑相關(guān)基因來源于千金子的四倍化。

對(duì)89份來自中國(guó)的千金子進(jìn)行群體基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，來自中國(guó)南部和西南部省份的千金子的核苷酸多樣性顯著高于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的千金子。表明千金子在中國(guó)的傳播路徑很有可能是由南部，西南部省份傳向長(zhǎng)江中下游地區(qū)。在這一傳播過程中，千金子表現(xiàn)出越來越強(qiáng)的抗除草劑能力，并有大量抗除草劑相關(guān)基因受到了選擇。

本研究首次發(fā)布了稻田惡性雜草千金子的染色體級(jí)別參考基因組和中國(guó)千金子的遺傳變異圖譜，為千金子的精準(zhǔn)防控提供了基因組資源。并在基因組水平對(duì)千金子的起源、抗藥性和適應(yīng)性進(jìn)化上進(jìn)行了深入的分析和挖掘。

研究團(tuán)隊(duì)之前對(duì)千金子抗藥性進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究，明確了千金子對(duì)除草劑氰氟草酯的靶標(biāo)抗性突變位點(diǎn)，針對(duì)性開發(fā)了靶標(biāo)酶特異性分子快速檢測(cè)方法，并挖掘了非靶標(biāo)抗性的相關(guān)基因及代謝通路，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Weed Science、BMC Genomics等專業(yè)國(guó)際期刊。

湖南農(nóng)科院副研究員王立峰，助理研究員彭亞軍，在讀博士研究生陳克，浙江農(nóng)林大學(xué)孫學(xué)鵬教授和康奈爾大學(xué)吳珊博士為該論文的共同第一作者。湖南農(nóng)科院柏連陽院士、劉都才研究員和康奈爾大學(xué)費(fèi)章君教授為該論文的通訊作者。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省重大科技專項(xiàng)、長(zhǎng)沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計(jì)劃、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家等經(jīng)費(fèi)的資助，同時(shí)也得到了雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、雜草生物學(xué)及安全防控湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。