柏连阳院士团队公布稻田杂草千金子基因组并揭示其在中国的传播机制

　　2022年5月5日，湖南省农业科学院柏连阳院士团队在植物学TOP期刊Molecular Plant（2021年IF=13.16，即时IF=21.0）在线发表题为“Genomic insights into the origin, adaptive evolution and herbicide resistance of Leptochloa chinensis, a devastating tetraploid weedy grass in rice fields”的研究论文。该论文首次公布了稻田恶性杂草千金子的染色体级别参考基因组，揭示了千金子的基因组特征及虎尾草亚科的进化机制。鉴定到与除草剂耐受性有关的基因家族特异性扩张，并揭示了中国千金子的群体结构及传播机制。

 

　　草害是农业生产中三大生物灾害之一。杂草种类多，危害大，每年导致世界粮食产量损失相当于约10亿人的口粮。我国粮食作物播种面积85%以上受杂草危害，每年造成直接经济损失约1200亿元。水稻是世界主要粮食作物，随着轻简化栽培方式的大面积推广，稻田杂草出现种类增多、多发混发的趋势，除了传统恶性杂草稗草，千金子等种群逐渐演变为优势种，在中国南方部分直播稻区，千金子已经演化成为第一大恶性杂草。生产上适用于防除千金子的除草剂不多，主要是氰氟草酯、噁唑酰草胺等ACCase类除草剂，长期连续使用导致千金子已普遍产生了抗药性，进一步增大了其防治难度。

 

　　该研究公布了千金子的染色体级别参考基因组和中国千金子的遗传变异图谱。研究发现四倍体千金子基因组约在1090万年前由两个二倍体祖先结合形成，作者首次对千金子的两套亚基因组进行了划分，研究表明千金子的两套亚基因组既没有发生分离偏好性也没有发生亚基因组表达量的偏好性。通过比较基因组学分析发现，千金子从其虎尾草亚科共同祖先分离出来后，发生了大量的染色体重排，结合转录组分析发现，千金子中许多抗除草剂相关基因来源于千金子的四倍化。

 

　　对89份来自中国的千金子进行群体基因组学分析发现，来自中国南部和西南部省份的千金子的核苷酸多样性显著高于长江中下游地区的千金子。表明千金子在中国的传播路径很有可能是由南部，西南部省份传向长江中下游地区。在这一传播过程中，千金子表现出越来越强的抗除草剂能力，并有大量抗除草剂相关基因受到了选择。

 

　　本研究首次发布了稻田恶性杂草千金子的染色体级别参考基因组和中国千金子的遗传变异图谱，为千金子的精准防控提供了基因组资源。并在基因组水平对千金子的起源、抗药性和适应性进化上进行了深入的分析和挖掘。

 

　　研究团队之前对千金子抗药性进行过较为系统的研究，明确了千金子对除草剂氰氟草酯的靶标抗性突变位点，针对性开发了靶标酶特异性分子快速检测方法，并挖掘了非靶标抗性的相关基因及代谢通路，相关研究结果发表在Weed Science、BMC Genomics等专业国际期刊。

 

　　湖南农科院副研究员王立峰，助理研究员彭亚军，在读博士研究生陈克，浙江农林大学孙学鹏教授和康奈尔大学吴珊博士为该论文的共同第一作者。湖南农科院柏连阳院士、刘都才研究员和康奈尔大学费章君教授为该论文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省重大科技专项、长沙市杰出创新青年培养计划、国家现代农业产业技术体系岗位科学家等经费的资助，同时也得到了杂交水稻国家重点实验室、杂草生物学及安全防控湖南省重点实验室的大力支持。