小麦是全球最重要的粮食作物之一。随着气候变化加剧，干旱、高温及多逆境复合胁迫已成为制约小麦产量的关键限制因素。长期的人工驯化和育种选择虽显著提升了小麦产量，却也导致现代栽培品种的遗传多样性大幅收窄，众多优异的抗逆等位变异在品种改良过程中逐渐流失。尽管国际上已相继完成多个普通小麦高质量基因组的组装，但迄今为止，尚无一个参考基因组是针对抗旱耐热特性进行深度解析的“功能性参考基因组”。事实上，抗旱耐热突出的小麦种质中往往保留了现代品种所缺失的关键等位变异，系统挖掘这些材料中的抗逆基因并解析其分子调控机制，对于培育稳产抗逆小麦品种、保障粮食安全具有不可替代的战略意义。
近日，小麦玉米两熟高效生产全国重点实验室孙其信院士团队在Nature Genetics上发表了题为Genomic and genetic dissection of drought tolerance in a resilient wheat germplasm JIN50的研究论文。研究团队聚焦于源自中国山西干旱地区的抗逆性优异小麦品系JIN50。该品系在田间表现出极强的抗旱性和耐热性，且成熟期产量稳定性表现突出。
为了从全基因组水平解析JIN50的抗逆机制，研究团队对其进行了深度测序与从头组装。该研究采用PacBio HiFi长读长测序（34.7倍覆盖度）联合Hi-C技术，成功构建了JIN50的染色体级别高质量参考基因组。结果显示，其基因组大小约为14.57 Gb，Contig N50达到50.24 Mb，Scaffold N50为719.03 Mb，基因组完整性评估指标BUSCO达99.10%，表明该基因组组装达到了高质量水平，为后续抗逆关键基因的发掘和鉴定奠定了基因组学基础（图1）。
图1.JIN50旱/热胁迫的表型鉴定及其基因组组装
通过与经典参考基因组“中国春”(Chinese Spring, CS)进行全基因组比较分析，系统构建了JIN50特有的结构变异图谱。结果显示，JIN50与CS之间存在超过22万个存在/缺失变异(PAVs, ≥ 50 bp)。值得注意的是，其中超过15%的变异位于编码基因区域或其邻近位置，且这些变异所关联的基因显著富集于植物逆境响应、环境适应及激素信号转导等通路。进一步分析发现，JIN50中基因启动子区域的结构变异与其DNA甲基化水平密切相关，暗示表观遗传调控在小麦适应逆境环境中发挥着重要作用（图2）。
图2. JIN50全基因组PAV变异与甲基化变异分析
为了挖掘调控小麦抗逆性状的关键基因，研究团队整合了已发表的30份高质量小麦基因组及196份完成抗旱性状鉴定和重测序的自然群体材料，构建了包含424,854个结构变异（SV）的泛基因组图谱。其中，JIN50独有2,820个SV。基于产量抗旱系数（DTCGY）和苗期存活率（SR），结合SV、SNP及InDel标记，对自然群体进行了全基因组关联分析，共鉴定出117个与抗旱性显著关联的位点，其中有61个与已报道的抗旱相关基因位置邻近。值得注意的是，JIN50携带了39个与DTCGY相关的已知位点及27个与SR相关的已知位点，并分别聚合了27个和19个“优异等位变异”（即携带该等位变异的材料平均抗旱性显著提升）。上述结果解释了JIN50在群体中突出的抗逆表现。在此基础上，研究团队重点解析了两个关键基因的调控机制：
1. TaLBD1：根系重塑与抗旱节水的关键驱动因子
在4A染色体上，研究团队发现一个与苗期存活率显著关联的区域，同时包含SNP和SV信号。该区域中，一个2,531 bp的Helitron转座子结构变异（SV203141）引起了关注。这个SV位于TaLBD1基因的启动子区。与CS相比，JIN50的TaLBD1启动子区缺失了这一段2,531 bp的Helitron转座子插入。这一缺失导致启动子区域甲基化水平显著降低，从而解除了对基因的表达抑制，使JIN50在干旱胁迫下TaLBD1表达量大幅上调（图3）。在随机选取的67份小麦材料中，TaLBD1JIN50型材料的启动子甲基化水平显著低于TaLBD1CS型，且干旱诱导的TaLBD1表达上调幅度与甲基化水平呈显著负相关（R² = 0.53）。更重要的是，TaLBD1上调幅度与苗期存活率呈正相关。进一步的功能验证（包括构建不同单倍型的近等基因系（NILs）、CRISPR/Cas9敲除株系与过表达株系）表明，在苗期干旱条件下，TaLBD1高丰度表达能显著增加小麦侧根数量，提高根系干重，从而增强植株的吸水能力，进而提升抗旱性。在大田干旱条件下，携带JIN50单倍型的材料不仅存活率更高，其单株产量和分蘖数也显著增加。该优异单倍型在现代栽培种中的分布频率为64.2%，具有较大的育种应用潜力。
图3. TaLBD1启动子区域的转座子插入变异影响小麦抗旱性
2. TaGLYI7：协同调控抗旱耐热的关键基因
研究团队在产量抗旱系数DTCGY和苗期存活率SR的全基因组关联分析中，均检测到位于1AS染色体上一个稳定关联位点。基于LD衰减（0.872 Mb）划定的候选区域包含9个注释基因。转录组分析显示，仅TraesCS1A03G0283100（TaGLYI7）在干旱和热胁迫下显著上调。该基因编码乙二醛酶I（Glyoxalase I），负责将细胞毒性代谢物甲基乙二醛（MG）转化为无毒的S-D-乳酰谷胱甘肽。进一步分析发现，该基因编码区存在一个11 bp的插入/缺失变异（InDel），导致蛋白C端序列发生改变，从而形成两种单倍型：TaGLYI7HapA（JIN50型）和TaGLYI7HapB（LM23型）。功能实验证实，TaGLYI7HapA的乙二醛酶活性显著高于TaGLYI7HapB，能够更高效地清除干旱和高温下积累的细胞毒性物质甲基乙二醛。分析表明两种单倍型的mRNA稳定性和翻译效率无显著差异，但TaGLYI7HapA的蛋白稳定性显著高于TaGLYI7HapB；进一步的机制解析揭示了一个精巧的翻译后调控网络：TaGLYI7HapB与BR信号通路中关键激酶TaBIN2互作且结合能力更强，导致其Ser163位点被磷酸化，进而通过26S蛋白酶体途径加速降解；相比之下，TaGLYI7HapA与TaBIN2互作较弱，磷酸化水平更低，蛋白稳定性更高，从而赋予小麦更强的抗逆能力（图4）。
田间试验表明，在干旱尤其是旱热复合胁迫下，TaGLYI7HapA过表达株系在千粒重和单株产量上均显著提升，且表现优于TaGLYI7HapB；进一步利用两套不同遗传背景的近等基因系进行大田试验，证实携带抗旱耐热优异单倍型的TaGLYI7HapA在干旱高温复合逆境中具有显著的增产增效作用，明确了该优异等位变异在增强小麦抗逆稳产能力方面的重要育种价值（图5）。对全球1,172份种质的单倍型分析显示，TaGLYI7HapA在现代品种中仅占14.63%，远低于TaGLYI7HapB，预示着其巨大的育种利用潜力。
综上所述，该研究成功组装了抗旱耐热小麦JIN50的高质量参考基因组，揭示了“遗传变异—表观修饰—转录调控—蛋白稳定性”这一多层级协同调控小麦抗旱耐热性状的分子机制。鉴定出的TaLBD1和TaGLYI7优异单倍型均在不影响产量性状的前提下显著增强小麦对干旱及高温胁迫的适应性，且在不同遗传背景中效应稳定，不仅为解析小麦逆境适应性提供了新视角，更为利用分子标记辅助选择和基因编辑技术改良小麦抗逆性、保障气候变化背景下的粮食高产稳产提供了育种可用的基因资源和靶点。
小麦玉米两熟高效生产全国重点实验室孙其信院士、胡兆荣教授为该论文的通讯作者；已毕业的博士林靖辰（现为中国农业科学院作物科学研究所博士后）、博士生张辰笈、刘泽辉和博士后李金鹏为论文的共同第一作者；小麦研究中心倪中福教授、彭惠茹教授、解超杰教授、姚颖垠教授、辛明明教授和郭伟龙教授对本研究提供了指导和帮助。博士后褚蔚和杨群，博士生刘德彪、赵丹阳、彭潇、贾旺鸿安和安惠韬，以及硕士研究生张磊也参与了该研究。本研究得到了国家自然科学基金、教育部基础和交叉学科突破计划等项目资助。
