中国农科院麻类所刘头明课题组在苎麻驯化机制研究领域取得重要进展
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苎麻是我国特有的纤维作物，在我国已有数千年的种植历史。此外，苎麻嫩茎叶粗蛋白含量高（~20%），且具有生物产量大、可多茬收割等优点，近年来在我国南方地区也被用作优质饲草作物；但苎麻作为饲草，其纤维含量过高会显著影响其饲草加工和动物采食性能。因此，解析苎麻纤维形成机制，对于定向选育高纤维纤用苎麻或低纤维饲用苎麻均具有重要的意义。分类学、遗传学等证据均表明栽培苎麻是从野生苎麻（Boehmeria nivea var. tenacissima）驯化而来，但野生苎麻纤维产量低。可见，在栽培苎麻驯化过程中，纤维发育相关基因受到了重点选择。然而，有关栽培苎麻的驯化分子机制，当前仍不清楚。
苎麻
2021年5月16日，中国农业科学院麻类研究所刘头明研究员课题组联合上海欧易生物医学科技有限公司在The Plant Journal上在线发表题为 Genomic analyses provide comprehensive insights into the domestication of bast fiber crop ramie （Boehmeria nivea）研究论文，通过开展野生和栽培苎麻基因组比较及群体进化分析，系统揭示了苎麻驯化过程中基因组演化特点，并发现了多个纤维生长相关基因的驯化选择印迹。
研究人员利用Nanopore和PacBio的三代测序、Hi-C测序和Illumina测序数据分别对野生tenacissima种“青叶苎麻”和栽培种“中饲苎1号”进行从头组装，得到270.2 Mb的野生苎麻基因组和266.0 Mb的栽培苎麻基因组，contig N50分别为10.51 Mb（野生种）和2.33 Mb（栽培种），Scaffold N50分别为19.55 Mb和17.80 Mb。BUSCO评估表明两个组装基因组完整性好。LTR装配指数（LAI）进一步评估基因组完整性，发现野生种基因组达到黄金级（LAI = 23.38），而栽培种基因组达到参考级（LAI = 19.28）。基因注释在两基因组中分别鉴定到20,693个（野生种）和19,498个（栽培种）预测的基因。基因家族分析发现野生和栽培基因组具有13,090个共有基因家族，另有1276个和1068个基因家族分别仅在野生种和栽培种基因组中特有。两个基因组存在大量变异，其中包括5,687个PAVs、3,700个CNVs、1880个倒位和1162个易位事件。
图一 苎麻基因组特征及进化
研究人员进一步对14个野生苎麻种质和46个栽培种进行重测序，并构建了苎麻的基因组变异图谱，共含6,802,591个SNPs和898,252个indel，基因组中平均每kb达到28.5标记。群体的FST系数分析表明野生苎麻和栽培种基因组分化较小（FST = 0.118），说明苎麻的驯化并不彻底。之后，研究人员结合野生和栽培苎麻的核苷酸多样性比较及XP-CLR分析筛选了苎麻基因组中的选择性清除区域，发现了71个基因组片段在苎麻驯化过程中受到了强烈选择，其总长度为4.35 Mb，含320个基因。研究人员也比较了纤维发育不同时期的茎皮转录组，以鉴定受选择基因中的纤维发育相关基因。结果发现在这320个受选择的基因中，29个基因与纤维发育相关；其中一个基因Bnt08G012573编码NAC转录因子，为拟南芥次生壁发育蛋白NST1/NST2的直系同源体，该基因过量表达可显著增加转基因植株的纤维数目。此外，研究人员利用野生青叶苎麻和栽培种中饲苎1号构建了一个F2分离群体，并开展了纤维产量性状QTL定位，共检测到7个QTL，其中两个QTL（qFY5和qFY6）与选择性清除区域存在重叠。值得注意的是，研究人员在qFY5区域检测到一个生长素信号途径基因Bnt05G007931，且发现该基因在纤维发育期的茎皮中表达量显著升高。因生长素是启动纤维次生壁发育关键信号因子，故推测该受选择的基因Bnt05G007931是 qFY5候选基因。
纤维是最长的细胞，尤其是苎麻纤维，其最长可达55 cm。此外，在苎麻中，株高是纤维产量性状的主要构成因子。赤霉素是促进细胞伸长和植株生长的关键激素。研究人员发现，在苎麻基因组中，选择信号最强的区域位于第13染色体，且该区域基因组序列在野生和栽培种苎麻中存在显著分化。该选择区域包含两个赤霉素合成相关的GA2ox基因，BntGA2ox1 和BntGA2ox2。位于苎麻茎顶端韧皮中的纤维细胞处于延伸生长阶段，其次生壁尚未加厚。而表达分析发现，在该部位的茎皮中，这两个基因的表达量极低。因GA2ox主要功能是将活性赤霉素转化为不具生物活性的赤霉素，故推测顶端茎皮中该基因的低表达可导致活性赤霉素积累，最后促进纤维细胞延伸。值得注意的是，研究人员发现在栽培种苎麻中，BntGA2ox1基因区域存在一个11.7 kb的大片段插入，该变异导致基因结构发生变化，插入位点后面的四个外显子均不表达。序列分析发现所有46个栽培种苎麻中均存在该结构变异，故推测该结构变异导致了栽培种苎麻活性赤霉素累积，从而促进了栽培种苎麻株型显著增高、纤维产量急剧增加。
图二 苎麻纤维产量性状的驯化选择
综上所述，该研究通过野生和栽培种苎麻基因组组装和比较，结合群体变异组分析，发现了多个与纤维产量相关的基因组片段具有清晰的驯化选择印迹。这些研究结果为理解苎麻驯化分子机制提供了新见解。
中国农业科学院麻类研究所王延周副研究员、博士研究生李富、硕士研究生何巧芸和上海欧易生物医学科技有限公司鲍志贵为共同第一作者，中国农业科学院麻类研究所刘头明研究员为论文通讯作者。上海辰山植物园杨俊研究员为论文修改提供了建议。该研究受到国家自然科学基金，中国农业科学院农业科技创新工程和现代农业产业技术体系项目资助。
据悉，中国农业科学院麻类研究所刘头明课题组长期从事植物资源饲料化利用研究，近五年来围绕畜禽养殖中关注的高蛋白饲草、抗生素替代等产业问题，开展了系统的研究。针对我国南方地区高蛋白牧草资源匮乏，推动了高蛋白苎麻的饲草化利用研究；围绕饲用苎麻高纤维影响饲用品质的产业问题，重点开展了苎麻纤维形成的遗传、分子调控机制研究，从头驯化选育了低纤维、青叶型饲用苎麻品种青饲苎1号和青饲苎2号（粗蛋白含量、生物产量均与苜蓿相当），配套了饲用苎麻收获机械装备及相关栽培技术。针对我国已全面禁止饲料抗生素使用的问题，大力推动大蒜秸秆饲料化综合利用，充分利用秸秆副产物中的大蒜素抗菌消炎活性成分，以提高畜禽疾病免疫力。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15346