農(nóng)學(xué)院張國(guó)平團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位解析小麥族鹽生植物海大麥的基因組與耐鹽機(jī)制
? ?? 2022年5月4日，浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所張國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)與湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)吳德志教授等合作在Plant Communications上在線發(fā)表了題為The genome and gene editing system of sea barleygrass provide a novel platform for cereal domestication and stress tolerance studies的研究論文（https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100333）解析了小麥族鹽生植物海大麥的參考基因組和耐鹽機(jī)制，并構(gòu)建了該物種的高效基因編輯體系。
小麥族是禾本科重要的糧食作物來(lái)源，包括小麥、大麥和黑麥等麥類作物，全球年產(chǎn)量高達(dá)9億噸，占總谷物產(chǎn)量的30%。海大麥?(Hordeum marinum Huds., 2n = 2x = 14, XaXa) 是大、小麥的野生近緣種，屬于鹽生植物，具有耐鹽、耐漬等優(yōu)異特性，且與普通小麥有一定的可交配性，可為作物抗逆遺傳改良提供優(yōu)異基因資源。目前，由于缺乏基因組信息及有效的遺傳轉(zhuǎn)化體系，海大麥的相關(guān)研究及其育種利用進(jìn)展緩慢。
浙江大學(xué)張國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、諾禾致源生物科技公司等單位歷時(shí)五年完成了海大麥參考基因組組裝及高效基因編輯體系構(gòu)建。利用PacBio SMRT、Illumina PE、10×Genomics和Hi-C技術(shù)組裝了一個(gè)3,816 Mb的染色體水平基因組，Contig和Super-scaffold N50值分別為6.83 Mb和524.47 Mb，96.8% (3.69 Gb) 的序列被定位到7條染色體上。在全基因組序列中注釋得到41,405個(gè)高置信度基因，BUSCO完整性指數(shù)為98.4%； LTR組裝指數(shù)（LAI）為12.7，屬于參考基因組級(jí)別（圖1）。
圖1 海大麥基因組特征
在組裝基因組的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了海大麥的高效轉(zhuǎn)化體系和基因編輯體系，遺傳轉(zhuǎn)化效率為28.7%；將HmSOS1的特異靶位點(diǎn)克隆至pUB-Cas9-TaU6-sgRNA載體利用上述體系進(jìn)行轉(zhuǎn)化，兩次獨(dú)立試驗(yàn)的轉(zhuǎn)基因幼苗的靶點(diǎn)突變效率均為100%；海大麥sos1突變體表現(xiàn)鹽敏感表型，其根部對(duì)Na+的吸收量顯著高于野生型，揭示了HmSOS1基因調(diào)控海大麥耐鹽性的重要作用（圖2）。海大麥參考基因組信息和高效基因編輯體系對(duì)小麥族作物抗逆機(jī)制與育種改良研究均具有重要參考價(jià)值。
圖2 基于CRISPR/Cas9的海大麥高效基因編輯體系
本研究由浙江大學(xué)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)和諾禾致源生物科技公司等多家單位協(xié)作完成。浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所鄺劉輝博士生、沈秋芳副研究員、葉玲珍副研究員和諾禾致源公司陳力楊為該論文共同第一作者，浙江大學(xué)張國(guó)平教授和湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)吳德志教授為共同通訊作者，西悉尼大學(xué)陳仲華教授和英國(guó)James Hutton研究所Robbie Waugh教授等也參與了該研究工作。研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD1000704）、國(guó)家自然科學(xué)基金（32071934）和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)目資助。目前，海大麥基因組序列已上傳至國(guó)家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心（NGDC，PRJCA009391），歡迎廣大同行下載使用。
文章鏈接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(22)00083-9
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