近日，长江大学张文英教授课题组和澳大利亚技术科学与工程院院士、莫道克大学李承道教授课题组合作，在植物科学国际权威杂志Plant Biotechnology Journal在线发表题为“Genome architecture and diverged selection shaping pattern of genomic differentiation in wild barley”研究论文。研究者通过三代纳米孔测序，组装起源于以色列"进化峡谷"南坡(阳坡)和北坡(阴坡)的两个高质量野生大麦基因组。然后通过比较基因组学，群体遗传和转录组分析，研究了位于南坡和北坡两个野生大麦种群在非生物胁迫下的基因组分化和环境适应模式。
以色列"进化峡谷"是模拟研究非洲和欧洲不同生境生物进化与多样性的天然实验室。尽管地理接近，与北坡(阴坡)相比，峡谷南坡(阳坡)的太阳辐射更高（多200-800%），使得南北坡呈现出显著的环境差异和生物群体（动物、真菌和植物的种群）分化。适应不同的环境可能会通过不同的选择压力，来驱动基因组区域的分化。通过比较种群的基因组分化，包括染色体结构变异（SV）和单核苷酸多态性（SNP），可以揭示基因组分化的的遗传基础，并进一步研究其对物种环境适应性的影响。
野生大麦（Hordeum spontaneumL.）是栽培大麦（Hordeum vulgareL.）的祖先，也是栽培大麦改良重要的基因遗传资源。然而，我们对不同种群的野生大麦基因组分化和它们的基因组结构差异仍然知之甚少。在这里，研究者组装了分别位于以色列"进化峡谷"南坡和北坡（图1）的两个高质量野生大麦基因组。这两个群体具有共同的祖先，同时由于地理上接近的对比环境而受到不同的选择，这使得研究者可以直接研究基因组的分化而不被距离隔离的影响所干扰。
该研究表明不同类型的基因组结构变异（SVs）可能以不同的方式影响了基因组分化。大尺度的染色体倒位可能通过抑制染色体重组和基因流动决定基因组分化的异质模式。而小尺度的基因组结构变异（SVs），比如染色体小片段缺失插入与染色体倒位等，影响基因表达和植物的环境适应能力，从而决定基因组在基因水平的分化。比如一个29 bp 的启动子区域插入，在HvWRKY45基因中形成了顺式调控元件，这可能有助于增强南坡野生大麦对干旱的耐受性。启动子区域中的单个 SNP 突变可能影响了开花基因HvCO5的表达与环境适应。基因组分化的减少主要是由于基因流的增加导致遗传变异同质化。而该研究还表明，基因组分化的减少也可能是由于不相容的基因组结构抑制染色体重组而导致基因流动受到抑制。这是群体遗传学理论的一个重大进展。该研究为通过基因组研究环境适应性和基因组分化的遗传基础提供了新的见解，并为栽培大麦的遗传改良提供了宝贵的基因资源。
图1：以色列进化峡谷中的南坡和北坡的野生大麦种群，以及两个斜坡的气候差异
图2：大染色体结构变异对异质模式的影响. 橙色表示染色体倒位区域
长江大学张文英教授，莫道克大学谈聪博士, 胡海飞博士以及长江大学博士生潘锐为论文的共同第一作者，莫道克大学何田华博士，长江大学田小海教授和莫道克大学李承道教授为本文的共同通讯作者。本研究得到了中国国家自然科学基金，澳大利亚谷物研发公司（GRDC），主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心、长江大学科技创新团队基金等项目的资助，并得到Claire Mérot, Peter Civáň 和Rajeev Varshney教授对文章的宝贵修改意见。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13917
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