栽培植物的野生近缘种是作物改良遗传多样性的重要来源，通常可通过杂交育种获得基因渗入系（ILs）将野生优良基因引入驯化种中，但这一过程颇具挑战，在大麦中尚未有成功的案例。球茎大麦作为唯一可以与大麦产生可育后代的野生近缘种，是大麦育种重要的基因资源库。

2025年7月9日，德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所（IPK Gatersleben）的Martin Mascher、Nils Stein和Frank R. Blattner团队在国际顶级期刊《Nature》上在线发表了题为“A haplotype-resolved pangenome of the barley wild relative Hordeum bulbosum”的研究论文。该研究构建了首个高质量球茎大麦单倍型泛基因组，系统揭示了该物种复杂的演化历史及丰富的遗传多样性，展示了其在作物遗传改良中的巨大应用潜力。

1、球茎大麦二倍体和四倍体基因组组装

本研究以二倍体球茎大麦种质FB19-011-3为参考，使用PacBio HiFi和Hi-C技术对其基因组进行测序组装，获得单倍型组装结果，基因组大小为6.78Gb，contig N50为9.82Mb。通过与栽培大麦的共线性分析，Hi-C信号，遗传作图以及FISH的结果均证明了FB19-011-3基因组组装的完整性和准确性。同时本研究也尝试组装了四倍体球茎大麦种质FB19-028-3的基因组，组装的contig N50为7.7Mb，Hi-C挂载结果和单倍型特异FISH结果同样也证实了组装的准确性。

图1 二倍体和四倍体球茎大麦单倍型基因组组装

2、球茎大麦多样性基因组组装和单倍型泛基因组图谱构建

为了表征球茎大麦的多样性，本研究进一步选取了不同地理起源的3个二倍体和5个四倍体种质进行基因组测序，结合前面两个种质的基因组信息，共得到32个单倍型序列信息。共线性分析结果表明，32个单倍型的基因顺序整体保守，部分单倍型之间存在较大倒位，但整体上没有染色体间的易位发生。

本研究使用了三种策略进行球茎大麦泛基因组图谱的构建。第一种是基于单拷贝序列构建单拷贝泛基因组图谱，第二种是基于Minigraph-Cactus流程构建图形泛基因组图谱，第三种是基于基因在基因型水平构建同源泛基因组图谱。其中单拷贝泛基因组又分为单倍型水平（四倍体基因组中可能出现4次）和基因型水平（仅出现在1套基因组的1个单倍型中）。球茎大麦单倍型水平单拷贝泛基因组比大麦的更加复杂。两个水平核心序列和可变序列的分析结果显示，单倍型水平可变的基因型水平核心序列在同源四倍体中更丰富，这表明同源四倍体单倍型之间的存在-缺失变异（PAVs）更多。

图2 球茎大麦的单倍型泛基因组

3、基因组大小的演化

球茎大麦基因组的大小约为大麦基因组的80%，这一差异主要源于两个基因组中转座元件（TEs）含量不同。两个基因组中主要的TEs类型都是Copia和Gypsy超家族的长末端重复逆转录转座子（LTRs），但是TEs的分布存在局部差异，基因组大小扩张的相对速率也存在差异。相较于大麦，球茎大麦的末端区域相对更长，这主要是由Gypsy元件更频繁的插入造成的，而近端TEs组成的分析结果表明，大麦基因组的扩张并不是单一类别TEs插入造成的。值得注意的是，当前基因组中可识别的TEs爆发事件均发生在大麦和球茎大麦分化之后，因此两者之间保守的序列主要集中于基因及其调控元件。

图3 大麦和球茎大麦TEs和基因组大小的演化

4、同源四倍体至少存在两次独立起源

为了研究球茎大麦四倍体的起源以及其与二倍体之间的关系，本研究探索了32个泛基因组单倍型和通过简化基因组测序鉴定的263个谱系的分化。基于核基因和叶绿体基因构建的系统发育树将球茎大麦270种基因型分配到了4个祖先群体，通过单倍型的成对比较推断了群体规模的变化轨迹，并识别出共同的祖先单倍型组（AHGs）。群体历史分析揭示了其复杂的分化模式：利比亚二倍体谱系PI365428是最早从其它基因型中分化出来的，代表了一个早期分化的二倍体群体。希腊四倍体FB19-001-1与二倍体FB19-011-3分化较晚，表明其可能起源于希腊，且起源时间晚于亚洲四倍体，而四倍体GRA2256-1与FB19-011-3二倍体分化早，说明GRA2256-1是一个早期多倍体谱系的代表。AHGs的分析结果表明，不同倍性（二倍体与四倍体）以及不同起源的四倍体谱系之间存在着基因流，并且在希腊地区形成了复杂的混合群体。该研究证实了球茎大麦四倍体的多起源假说。

图4 四倍体细胞型的多次起源

5、解析作物育种中的野生基因渗入事件以及抗病位点Ryd4Hb

二倍体或四倍体大麦与球茎大麦四倍体杂交是产生ILs最常用的方法，本研究根据最新组装大麦和球茎大麦基因组的位置信息更新了之前的杂交图谱，发现累计有1085Mb的球茎大麦基因组序列被引入大麦，464Mb的序列存在于至少2个ILs中。这些ILs中含有的大量抗性基因同源物许多都来源于球茎大麦。此外，作者通过FISH实验验证了IL JKI-5215中3H染色体长臂上32.1 Mb的区域来自球茎大麦A17品系，且该区域是两个单倍型的重组嵌合体而非A17的错误组装。这种对ILs序列来源的精准解析有助于科学家在作物育种中追溯优良基因的来源，优化育种策略。

利用球茎大麦泛基因组数据，作者还解析了一个复杂的抗病毒基因座Ryd4Hb。在大麦cv. Morex基因组中，该基因座位于65.5kb的区域内，包含两个NLR类抗性基因同源物，但是在IL JKI-5215中该基因座包含16个NLR基因，球茎大麦中Ryd4Hb区间的多样性很高，32个单倍型NLR基因的数量从2到23不等。由于存在亚致死因子， Ryd4Hb的引入在大麦育种中存在阻碍，IL JKI-5215中的重组事件定位了这一亚致死因子，这为大麦育种中有害基因的剔除提供了新的思路。

图5 球茎大麦泛基因组助力大麦基因渗入育种

● 小结 ●

本研究构建了首个高质量的球茎大麦单倍型泛基因组，提供了宝贵的大麦近缘种遗传信息，对球茎大麦泛基因组以及现有ILs的系统解析，为栽培大麦基因渗入育种提供了理论支持。同时，本研究对大麦及球茎大麦基因组演化历程的深入探讨，也为物种进化以及适应性演化进程提供了新视角。

参考文献：

Mascher M, Feng J W, Pidon H, et al. A haplotype-resolved pangenome of the barley wild relative Hordeum bulbosum[J]. Jia, 2024, 1: 6373-6013.