Nat.Commun.|首次报道世界杯草坪用草--海滨雀稗基因组并揭示海藻糖介导的细胞自噬对提高作物抗逆性以及生物量积累的作用

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很多目前高度驯化的农作物的野生近缘种都具有或者保留了对多种生物或非生物胁迫的抗性，这些野生近缘种为抗逆性育种提供了宝贵的遗传资源，然而，如何将野生近缘种的优良抗逆性以及其可能的分子基础目前并不清楚。海滨雀稗，又称夏威夷草，是一种主要生长在热带、亚热带海滨地带的禾本科雀稗属植物。由于其极强的耐盐，抗旱，抗机械损伤等优良性状，目前被广泛用作海滨高尔夫球场的草坪用草以及热带亚热带国家的绿化草坪用草。值得一提的是，海滨雀稗正式本届卡塔尔世界杯的官方草坪用草。海滨雀稗是玉米与高粱的近亲，然而，在长时间的人类驯化与现代育种的过程中，玉米与高粱在不断提高产量的同时也在某种程度上丢失了抗逆性。而某些逐渐削弱的抗逆性是否能够通过借助野生近缘种恢复或加强一直以来是植物抗逆性育种研究的热门方向。

本研究首先结合二代与三代测序技术，对海滨雀稗（seashore paspalum,Paspalum Vaginatum）的基因组进行了深度测序。结合遗传图谱以及一系列生物信息学工具完成了染色体水平基因组的组装与注释。通过对海滨雀稗及其6个近缘种种坚定到的6151个单拷贝共线性同源基因构建系统发育树发现相比于小米，海滨雀稗与玉米与高粱支系的同源性更高，这表明海滨雀稗是目前唯一具有完整基因组的玉米与高粱支系的野生近缘种。这为未来玉米与高粱的抗逆性演化及育种研究提供了宝贵的资源。

在各种对极端环境的优良适应性种，海滨雀稗作为草坪表现出的其中一个优势就是在少量施肥的情况下便呈现与其他草种同等的生长效率。在温室进行对玉米以及高粱在不同营养状况下的生长状况的研究发现海滨雀稗对缺磷缺氮的敏感性明显更弱，生物量的积累相较于营养充足条件下无显著变化，然而玉米与高粱都呈现出显著生物量的降低。

为了进一步探究该性状，作者分析了三种植物在全营养，缺氮，缺磷状况下根系的代谢组以及转录组水平的变化。研究发现，雀稗在缺磷缺氮情况下，海滨雀稗的代谢组与转录组更加稳定，并且海藻糖的含量成倍提升。值得注意的是负责分解海藻糖的海藻糖酶在海滨雀稗种的表达在三种营养条件下低于玉米与高粱。结合比较基因组学的研究发现，海滨雀稗基因组中有很多特异性扩张的基因家族都对缺磷缺氮有相应。

为了探究海藻糖在海滨雀稗根系重的积累是否是其对营养胁迫不敏感的诱因，作者通过对玉米根系进行海藻糖酶抑制剂 Validamycin A (ValA) 处理提高了根系中海藻糖的含量，并且在全营养，以及缺氮情况下呈现出明显增多的生物量积累。持续处理到玉米开花前（63 dap）能够保持这种效应。另外作者发现，编码海藻糖代谢通路中关键酶的共线性同源基因在海滨雀稗中呈现高选择压，说明海藻糖代谢通路在海滨雀稗适应不同环境胁迫的过程中可能起到关键作用。

进一步分析表明，ValA 处理过的植物根系内，氮转运蛋白，氮代谢蛋白基因以及自噬相关基因的表达都普遍显著上调。最后结合一系列生理实验，遗传学以及分子生物学实验证实了海藻糖通过激活细胞自噬活性来提高玉米对缺氮条件的抗性。本研究首次报道了海滨雀稗染色体

水平的基因组信息，并且通过多组学分析，结合生理学实验，遗传学以及分子生物学实验证明了通过提高玉米根系中海藻糖含量可以提高细胞自噬从而提高玉米对营养胁迫的耐受性，为玉米或高粱等重要农作物抗逆性育种提供了潜在方向。

该研究成果与2022年12月13日在线发表于国际著名杂志 Nature Communications 上。美国内布拉斯加大学林肯分校James Schnable 团队博后孙光超博士（现单位：Mayo Clinic， Rochester， Minnesota）为该论文第一作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35507-8

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