草害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中三大生物災(zāi)害之一洪乍，雜草種類多眯杏，危害大，每年導(dǎo)致世界糧食產(chǎn)量損失相當(dāng)于約10億人的口糧壳澳。我國(guó)糧食作物播種面積85%以上受雜草危害岂贩，每年造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1200億元。目前已知的許多作物田雜草包括稗草巷波，千金子等均為多倍體植物萎津。多倍體不僅在植物基因組進(jìn)化和物種多樣化中起著重要作用，而且由于其多倍化后增加的遺傳變異和復(fù)制基因的緩沖作用抹镊，增加了其對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)可塑性锉屈。前人研究表明多倍化對(duì)植物的生物脅迫和非生物脅迫響應(yīng)均有影響，然而目前僅知道多倍體雜草具有更強(qiáng)的除草劑適應(yīng)性垮耳，但是由于缺乏合適的研究模型颈渊，其中的分子遺傳機(jī)制還仍有許多未知。
2023年5月8日，湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院柏連陽(yáng)院士團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)TOP期刊Plant Biotechnology Journal （2022年IF=13.263）在線發(fā)表題為“Genomicanalyses provide insights into the polyploidization-driven herbicide adaptationinLeptochloaweeds”的研究論文儡炼。該論文選擇稻田惡性雜草四倍體千金子的二倍體同屬近緣種蟣子草進(jìn)行從頭基因組組裝及注釋妓湘，并與千金子進(jìn)行比較基因組學(xué)查蓉，進(jìn)化基因組學(xué)乌询，群體遺傳學(xué)等方面的研究揭示了由于多倍化介導(dǎo)的除草劑抗性基因的擴(kuò)增且保守所帶來(lái)的多倍體千金子除草劑適應(yīng)性增強(qiáng)的分子遺傳機(jī)制。
該研究從頭組裝并注釋了蟣子草的參考基因組豌研，并建立了與千金子之間的染色體進(jìn)化關(guān)系妹田。獲取了蟣子草與千金子兩套亞基因組之間的結(jié)構(gòu)變異信息，發(fā)現(xiàn)位于9號(hào)染色體上的一個(gè)倒位很有可能影響了千金子的抗病性鹃共。
作者分析了千金子與蟣子草之間的同源基因和特異性基因鬼佣，并構(gòu)建了千金子屬雜草的進(jìn)化軌跡。發(fā)現(xiàn)蟣子草僅有一次全基因組復(fù)制事件霜浴，該事件為禾本科雜草所共有晶衷，而千金子除此次全基因組復(fù)制事件外，還有一次全基因組復(fù)制事件阴孟。也正是因?yàn)樵摻诘氖录?dǎo)致了千金子的物種形成晌纫。作者分別分析了千金子和蟣子草進(jìn)化過(guò)程中特異性擴(kuò)張的基因家族，發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)的與除草劑抗性有關(guān)的基因家族在千金子的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了特異性擴(kuò)張永丝。
作者隨后分析了該多倍化事件對(duì)千金子/蟣子草除草劑相關(guān)性狀的影響锹漱。發(fā)現(xiàn)5個(gè)常見(jiàn)的除草劑靶標(biāo)基因均發(fā)生了多倍化擴(kuò)增并保守，并且其中兩個(gè)靶標(biāo)基因發(fā)生了組織表達(dá)模式的變化慕嚷。作者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)非生物脅迫相關(guān)基因家族的擴(kuò)增保守程度均相對(duì)較高哥牍，而常見(jiàn)的抗病基因家族NB-ARC家族發(fā)生了顯著的多倍化丟失。作者隨后發(fā)現(xiàn)三個(gè)除草劑抗性基因均發(fā)生了多倍化擴(kuò)增并保守喝检，并分析了基因的表達(dá)模式以及與同源基因的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系嗅辣，并通過(guò)分子對(duì)接試驗(yàn)確定了它們與稻田防治千金子常用除草劑氰氟草酯和惡唑酰草胺的結(jié)構(gòu)相互作用。
作者進(jìn)一步對(duì)89份中國(guó)千金子的重測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行核苷酸多樣性分析和FST分析鑒定了受到選擇的基因組區(qū)間挠说。發(fā)現(xiàn)有一對(duì)除草劑抗性基因在中國(guó)的惡性傳播過(guò)程中受到選擇澡谭。并據(jù)此模式篩選到一個(gè)新的CYP450基因。最后纺涤，作者提出了多倍體雜草通過(guò)多倍化介導(dǎo)的除草劑抗性基因擴(kuò)增并保守所帶來(lái)的除草劑適應(yīng)性增強(qiáng)的模式示意圖译暂。
柏連陽(yáng)院士團(tuán)隊(duì)博士研究生陳克，助理研究員楊浩娜為該論文的共同第一作者撩炊。湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院柏連陽(yáng)院士外永，王立峰副研究員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)劃拧咳、國(guó)家自然科學(xué)基金伯顶、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)的資助祭衩，同時(shí)也得到了雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室灶体、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。
