小粟基因组揭示四倍体结构演化与微量营养素密度的遗传基础

《Nature Communications》：Little millet genome reveals evolutionary insights into tetraploid structure and genetic basis of micronutrient density

　　为解决孤儿作物小粟基因组资源匮乏及营养强化育种瓶颈问题，研究人员开展了小粟高质量基因组解析与全基因组关联分析研究，构建了850 Mb染色体级别基因组（11条染色体为T2T组装），证实其为近期形成的四倍体，并鉴定出与籽粒铁（Fe）、锌（Zn）等微量元素含量显著相关的遗传位点及离子组相关基因（如DMAS1、ZIP2）。该研究为小粟分子设计育种提供了关键基因组资源与理论依据，对提升边缘地区粮食与营养安全具有重要意义。

　　

在全球粮食安全高度依赖少数主粮作物的背景下，作物多样性不足与营养失衡问题日益凸显。小米、小粟等杂粮作物因其抗逆性强、营养丰富，被誉为“神奇谷物”，尤其在应对气候变化和解决“隐性饥饿”（微量营养素缺乏）方面潜力巨大。然而，作为重要小杂粮之一的小粟（Panicum sumatrense Roth ex Roem. & Schult.），长期以来因基因组研究滞后，其育种改良进程缓慢。尽管小粟富含铁、锌、钙等微量元素，且具备耐旱、耐盐碱等优良特性，但其基因组信息模糊，倍性水平存疑，制约了其遗传潜力的挖掘。

为破解这一困境，由Krishna Kishore Gali、Kevin C. Koh、Tara Chellapilla Satyavathi等来自加拿大萨斯喀彻温大学、印度农业研究理事会等机构的研究人员联合攻关，在《Nature Communications》上发表了题为“Little millet genome reveals evolutionary insights into tetraploid structure and genetic basis of micronutrient density”的研究论文。该研究首次报道了小粟的高质量基因组图谱，系统解析了其四倍体基因组结构特征，并通过大规模种质资源分析，揭示了控制籽粒微量营养素积累的关键遗传位点，为小粟的精准育种奠定了坚实基础。

研究团队综合运用PacBio Hi-Fi长读长测序、Oxford Nanopore长读长测序和Hi-C染色质构象捕获技术，对小粟品种JK-8进行全基因组测序与组装。通过对300份来自印度不同地理区域的小粟种质资源进行重测序，结合田间表型鉴定（包括农艺性状及籽粒钙Ca、铁Fe、钾K、镁Mg、钠Na、磷P、锌Zn等微量元素含量），利用全基因组关联分析（GWAS）、结构变异（SV）检测、离子组基因同源比对等技术手段，系统解析了小粟的遗传多样性、群体结构及性状关联位点。

基因组序列与组装

研究通过混合测序策略，获得了850.6 Mb的高质量基因组组装版本，其中11条染色体实现端粒到端粒（T2T）完整组装。基因组重复序列占比58.4%，以长末端重复反转录转座子（LTR）为主。注释得到59,045个蛋白编码基因，BUSCO评估完整度达99.3%，表明组装质量极高。

同线性分析与倍性确认

通过与小粟近缘种帚黍（broomcorn millet）基因组比较，研究证实小粟为四倍体，其两个亚基因组结构高度相似。同义替换率（Ks）分析表明，小粟的四倍化事件发生在约4.35–5.45百万年前，属于近期演化事件。亚基因组表达分析显示，基因表达偏向性具有组织特异性，未出现广泛的亚基因组优势，表明小粟仍处于二倍体化的早期阶段。

遗传变异与群体结构

对300份种质的重测序共鉴定出249,511个高质量单核苷酸多态性（SNP）。群体结构分析显示种质资源遗传多样性有限，地理来源与遗传分组不完全对应，推测与育种材料频繁交流及优良亲本重复使用有关。

结构变异发现与分布

研究利用Delly和Manta双工具检测结构变异（SV），获得14,273个高可信度SV，以缺失（deletion）为主。进一步通过LSV-viz方法鉴定出47个大片段结构变异（LSV），其中7个长度超过1 Mb，共涉及1,670个基因。部分LSV与表型极端材料（如高铁含量种质WV-356-1）相关，为后续功能研究提供线索。

农艺性状与籽粒微量元素表型分析

田间试验表明，小粟种质在开花期、千粒重、单株产量等农艺性状及微量元素含量方面存在广泛变异。相关性分析显示，多数微量元素间呈正相关，而锌、磷、钠、镁含量与开花期和单株产量呈负相关。研究筛选出多个兼具高产与高营养价值的优良种质，如WV-260-1（高铁高产）、GPMR-660（高镁、锌、磷且早花）等。

全基因组关联分析

GWAS鉴定出多个与微量元素含量显著关联的SNP和SV位点。例如，Chr2A_32889668位点与铁含量显著相关（P=4.93×10^–6）。SV关联分析发现Chr8B_19025292缺失与钙含量相关。通过整合离子组基因注释，研究筛选出11个与微量元素代谢通路相关的候选基因，如ZIP2（锌铁转运蛋白）、DMAS1（脱氧麦根酸合成酶）等。

铁吸收与转运通路基因鉴定

研究系统鉴定了小粟中参与铁还原与铁螯合两条吸收途径的关键基因，包括铁还原酶（FRO）、铁调节转运蛋白（IRT）、黄素合成酶（DMAS）及bHLH转录因子等。与水稻、拟南芥相比，小粟中多个离子组基因存在拷贝数扩增现象，可能与其对贫瘠土壤的适应性有关。

研究结论指出，小粟高质量基因组的发布及其四倍体结构、亚基因组表达模式、微量元素遗传基础的解析，不仅填补了该孤儿作物的基因组空白，也为其分子育种提供了精准靶点。通过GWAS鉴定的候选基因与优异等位变异，可直接用于培育高产、营养强化的小粟新品种。此外，小粟与帚黍相似的基因组结构为比较基因组学研究与基因资源互用提供了便利。该研究有望推动小粟从边缘作物升级为保障粮食安全与营养健康的重要资源，尤其为资源匮乏地区的可持续农业注入新动力。

尽管研究取得了突破性进展，作者也指出后续需对候选基因进行功能验证（如基因编辑、过表达），并拓展更广泛种质与环境下的遗传解析，以全面解锁小粟的抗逆与营养潜力。