紫花苜蓿是全球分布最廣，種植面積最大的多年生豆科牧草，由于其產(chǎn)草量高、蛋白質(zhì)含量豐富、適應(yīng)性強(qiáng)，被譽(yù)為“牧草之王”，是全球草食畜牧業(yè)穩(wěn)固發(fā)展的重要保障。紫花苜蓿的同源四倍體遺傳特性，不僅賦予了其優(yōu)良的生產(chǎn)性能和廣泛的適應(yīng)性，也為挖掘逆境適應(yīng)性關(guān)鍵基因提供了豐富的遺傳資源。面對(duì)全球氣候變化帶來(lái)的極端環(huán)境挑戰(zhàn)，深度挖掘并利用紫花苜蓿的抗逆基因，通過(guò)分子設(shè)計(jì)育種手段培育出廣適高產(chǎn)苜蓿新品種，不僅是飼草產(chǎn)業(yè)升級(jí)的迫切需求，更是保障國(guó)家糧食安全的戰(zhàn)略性舉措。

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所與農(nóng)業(yè)基因組所合作在Nature Communications在線發(fā)表了題為“

Medicago

super-pangenome

reveals adaptive advantages and evolutionary constraints in autotetraploid alfalfa

研究團(tuán)隊(duì)以核心栽培品種‘中苜4號(hào)’為基礎(chǔ)，完成了其參考基因組的迭代升級(jí)，獲得了Contig N50為5.45 Mb、基因組大小為3.13 Gb的高質(zhì)量版本（ZM4_V2.0），并注釋了202,473個(gè)基因。該基因組的連續(xù)性和完整性相較于已有版本實(shí)現(xiàn)了顯著提升。進(jìn)一步整合了苜蓿屬共13個(gè)基因組，鑒定出69,767個(gè)同源基因家族以及494,797個(gè)結(jié)構(gòu)變異，構(gòu)建了苜蓿屬的遺傳變異全景圖譜（圖1）。

圖1 13個(gè)苜蓿屬基因組的共線性分析

通過(guò)分析紫花苜蓿等位基因變異發(fā)現(xiàn)，僅有20.1%的基因具有四個(gè)拷貝。進(jìn)一步比較基因拷貝數(shù)變異和泛基因組特征發(fā)現(xiàn)，四拷貝基因中的53.3%屬于核心基因，因此我們定義了一類“四拷貝核心基因”。而單劑量基因中的41.7%屬于非必須基因，因此我們定義了“唯一必要基因”。最終我們將全部紫花苜蓿的基因分為6類進(jìn)行后續(xù)分析（圖2）。

圖2 紫花苜蓿6類基因分組框架

富集分析為四拷貝核心基因在逆境適應(yīng)中的關(guān)鍵作用提供了兩方面有力證據(jù)。首先，與環(huán)境適應(yīng)性直接相關(guān)的基因在該類別中顯著富集了1.6倍（圖3A）。其次，在逆境脅迫響應(yīng)中，四拷貝核心基因同樣捕獲了最高比例的差異表達(dá)基因，富集倍數(shù)為1.61倍（圖3B）。這兩項(xiàng)獨(dú)立的分析共同表明，四拷貝核心基因是紫花苜蓿響應(yīng)并適應(yīng)環(huán)境變化的核心功能模塊。

圖3 四拷貝核心基因?qū)τ谔嵘h(huán)境適應(yīng)性具有顯著貢獻(xiàn)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)四拷貝核心基因?qū)俎＿z傳改良是一把“雙刃劍”。一方面，四拷貝核心基因?qū)υ鰪?qiáng)環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮重要作用；另一方面，其內(nèi)在的大量有害變異在四拷貝核心基因中被掩蓋和固化（圖4）。這些潛在的有害變異，是紫花苜蓿自交過(guò)程中表現(xiàn)出嚴(yán)重近交衰退的主要原因，從而使紫花苜蓿具有自交不親和特性，也阻礙了自交純系的創(chuàng)制。因此，通過(guò)分子設(shè)計(jì)手段充分利用四拷貝核心基因的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)，精準(zhǔn)清除有害變異，是打破育種瓶頸、實(shí)現(xiàn)紫花苜蓿廣適高產(chǎn)抗逆育種的重要策略[2-7]。

圖4 不同類別基因中有害變異的積累與分布

為功能性驗(yàn)證四拷貝核心基因在生長(zhǎng)和適應(yīng)中的關(guān)鍵作用，我們以其中的代表性基因MsGDC（glycine decarboxylase gene）為例，構(gòu)建了轉(zhuǎn)基因材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀地證實(shí)其明顯的功能：無(wú)論是在紫花苜蓿還是在模式植物蒺藜苜蓿中，過(guò)表達(dá)MsGDC均能顯著提高產(chǎn)量，并增強(qiáng)蒺藜苜蓿的氮肥利用效率（圖5）。

圖5 四拷貝核心基因MsGDC的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)與遺傳負(fù)荷

基于上述結(jié)果，我們提出了多倍化的演化模型（圖6）。四個(gè)不同物種(A-D)的泛基因組分析示意圖：基因類別（核心、軟核心等）用顏色編碼，有害變異用紅條標(biāo)記。在全基因組加倍后，一部分核心基因被保留為四個(gè)等位拷貝（四拷貝核心基因，以黃色背景和紅色虛線框突出顯示），這些基因是提升氣候適應(yīng)性的重要貢獻(xiàn)者。對(duì)于每個(gè)基因集，一個(gè)等位基因的高表達(dá)可能主要負(fù)責(zé)響應(yīng)氣候適應(yīng)性，另外三個(gè)等位基因可能是調(diào)節(jié)功能等位基因的表達(dá)。然而，這些適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)可能會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)期的代價(jià)。適應(yīng)過(guò)程可導(dǎo)致有害變異的積累，這種現(xiàn)象被稱為遺傳負(fù)荷。隨著時(shí)間的推移，這種負(fù)荷在四拷貝核心基因內(nèi)的過(guò)度積累，最終可能損害同源多倍體的適應(yīng)性，并可能導(dǎo)致同源多倍體走向一個(gè)進(jìn)化的“死胡同”。

圖6 多倍化在紫花苜蓿等多倍體作物中的“雙刃劍”角色

中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組所博士后張帆，北京畜牧獸醫(yī)研究所已畢業(yè)碩士生尉春雪和中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組所博士生史小丫為共同第一作者，中國(guó)農(nóng)科院北京畜牧獸醫(yī)研究所楊青川研究員、康俊梅研究員和中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院周永鋒研究員為共同通訊作者。華盛頓州立大學(xué)張志武教授、基因組所徐小東博士、馬志堯博士、彭艷玲博士等參與了該研究。項(xiàng)目研究得到了農(nóng)業(yè)生物育種重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。

參考文獻(xiàn)：

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論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67280-9