2025-06-05
文章信息
英文题目：A pangenome reference of wild and cultivated rice
中文题目：野生与栽培水稻的泛基因组参考
发表期刊：Nature
影响因子：50.5
发表时间：2025年4月
涉及组学：基因组De novo、全基因组重测序、转录组
摘要
亚洲栽培稻（Oryza sativa）的野生祖先——普通野生稻（Oryza rufipogon）是水稻育种的重要遗传资源。本研究基于145个染色体水平的基因组组装（包含129份普通野生稻材料和16个栽培稻品种），构建了一个野生-栽培稻泛基因组。该泛基因组包含3.87 Gb未出现在粳稻参考基因组（日本晴品种）中的序列，并通过捕获初级组装中缺失的杂合信息（替代组装），共鉴定出69,531个泛基因，其中28,907个为核心基因，13,728个为野生稻特有基因。研究发现，野生稻中抗病基因类似物（RGAs）的丰度和多样性均显著高于栽培稻。群体分析表明，两个栽培稻亚群（intro-indica 和basmati）的形成源于南亚栽培稻品种间的基因交流。同时，本研究为"亚洲栽培稻单次驯化"理论提供了强有力证据。此外，研究系统解析了籼-粳亚种间855,122个分化SNP和13,853个存在/缺失变异（PAVs），揭示这些变异可追溯至祖先群体的分化事件，且粳稻经历了更严重的遗传瓶颈效应。本研究成果不仅为水稻育种提供了精准的基因组参考资源，更深化了人类对水稻起源与驯化历程的认知。
前言
水稻（Oryza sativa）作为全球最重要的粮食作物之一，其野生祖先——普通野生稻（Oryza rufipogon）蕴含丰富的遗传多样性，是改良栽培稻抗逆性和产量的关键资源。尽管已有多个栽培稻参考基因组（如粳稻日本晴和籼稻93-11），但单一线性参考基因组难以全面反映物种的遗传变异，尤其无法涵盖野生稻中大量未被利用的优异等位基因。近年来，泛基因组研究成为解析物种遗传多样性的重要手段。然而，现有水稻泛基因组研究主要集中于栽培稻，对野生稻资源的系统性分析仍显不足。此外，关于亚洲栽培稻的起源（单次驯化vs.多次独立驯化）及其亚种的形成机制仍存在争议。
研究内容
1、149份水稻基因组的从头组装
研究人员对149份水稻基因组（129份野生稻和16份栽培稻）进行了高质量的从头组装，通过整合PacBio HiFi、Nanopore和Hi-C多平台测序数据，获得了染色体水平的参考基因组。评估显示这些基因组具有极高的完整度（BUSCO 98.55%）和准确性（HiFi QV 57.92），其中与T2T-NIP参考基因组相比仅存在32.7 kb错配。研究发现野生稻基因组平均大小（395 Mb）显著大于栽培稻（385 Mb），主要差异源于转座元件（TE）含量的增加（野生稻TE占比53.23% vs 栽培稻52.32%）。、基因注释显示每个基因组平均含有40,273个基因，野生稻基因密度（98.5 genes/Mb）略低于栽培稻（100.2 genes/Mb）。端粒（CCCTAAA重复）和着丝粒（CentO卫星序列）的精确定位进一步验证了组装的可靠性。
2、基因注释及抗病基因类似物（RGAs）的特征解析
研究人员通过整合同源预测、转录组数据和从头预测方法，对149个水稻基因组进行了系统注释，平均每个基因组鉴定出40,273个基因（平均长度2,566 bp），其中92%的基因含有功能域，72%至少在一种组织中表达。重点对抗病基因类似物（RGAs）进行了系统分析，基于保守结构域（如NBS、RLK、TM-CC和RLP）共预测出野生稻平均1,710个RGAs，显著高于栽培稻（平均1,652个）。研究发现野生稻RGAs不仅数量更多（P<0.01），其多样性也更为丰富，其中，
结构变异：野生稻中27.55%（638个）RGA位点为特有，且多形成串联重复簇；功能分化：关键抗病基因在野生稻中保留更多功能等位基因，其抗稻瘟病单倍型（如Y476）在野生群体中高频存在；进化动态：RGAs在野生稻中呈现更年轻的扩张特征，与近期环境适应相关。
图1 野生和栽培水稻的RGAs特征分析
3、基于基因和基于图的泛基因组构建
研究人员通过整合145个水稻基因组（129野生稻+16栽培稻）构建了双轨泛基因组：基于基因的泛基因组鉴定出69,531个泛基因（含28,907个核心基因和13,728个野生稻特有基因），揭示野生稻特有基因显著富集于抗病等适应性功能；基于图结构的泛基因组包含3.87Gb非参考序列，解析了855,122个籼-粳稻分化SNP和13,853个PAVs，其变异检测灵敏度较线性参考基因组提升23%。
图2 野生和栽培水稻泛基因组的组装和分析
4、全基因组变异和转座元件分析
研究人员进行了全面的变异和转座元件（TE）分析，共鉴定出11.08百万SNP、10.97百万小片段插入缺失（indel）以及362,194个缺失、531,356个插入、4,495个倒位和357,655个易位等结构变异（SV）。研究发现野生稻的转座元件（TE）含量（53.23%）显著高于栽培稻（52.32%），其中Gypsy类LTR反转录转座子在野生稻Or-IIIa群体中表现出明显的近期扩张（约2.5万年前），贡献了57.78%的基因组大小差异。通过比较17个关键Gypsy家族，发现野生稻中9 Mb的差异源于新近扩增，而8 Mb差异由非法重组导致的TE丢失造成。这些变异在基因侧翼区域显著富集于碳水化合物代谢（P=3.2e-5）和细胞表面信号通路（P=1.8e-4），揭示了TE驱动的水稻环境适应性演化机制。
图3 野生和栽培水稻的TE分析
5、亚洲栽培水稻的进化分析
研究人员通过整合280份水稻种质（包括野生稻和栽培稻）的全基因组数据，系统解析了亚洲栽培稻的演化历程。研究证实所有亚洲栽培稻均单次起源于中国南部的野生稻Or-IIIa群体（粳稻祖先），而籼稻则是由早期粳稻向东南亚扩散后与当地野生稻Or-I群体杂交形成。群体遗传分析发现，南亚地区的栽培稻（如Basmati和Aus）存在复杂的基因交流：Basmati由粳稻与渗入籼稻（intro-indica）杂交形成，而渗入籼稻本身是籼稻与Aus稻的杂交后代。选择性清除分析显示，栽培稻中55.3%的驯化区域遗传组分来自Or-IIIa，关键驯化基因（如sh4、PROG1等）的等位变异模式进一步支持了"单次驯化-多次渐渗"的演化模型。
图4 野生和栽培水稻的群体进化分析
6、亚洲栽培水稻的驯化分析
研究人员通过全基因组分析揭示了亚洲栽培稻的驯化历程，证实所有栽培稻均起源于中国南部的野生稻Or-IIIa群体（粳稻祖先），支持"单次驯化"理论。研究发现籼稻的形成经历了"粳稻南迁-与当地野生稻Or-I群体杂交"的二次驯化过程，而南亚特有的Basmati和Aus稻则是栽培稻间多次基因交流的产物。选择性清除分析鉴定出50个强选择信号区域（共12.35Mb），其中55.3%的驯化区域遗传组分来自Or-IIIa群体。11个关键驯化基因（如控制落粒性的sh4、调控株型的PROG1等）的等位基因溯源显示，栽培稻中这些基因均与Or-IIIa的单倍型直接相关，而籼稻和Aus稻中部分基因通过后续基因流获得。
图5 野生和栽培水稻的选择性清除分析
总结
1.整合145个高质量水稻基因组，构建了首个野生-栽培稻泛基因组图谱，鉴定出69,531个泛基因，包括28,907个核心基因和13,728个野生稻特有基因。
2. 证实亚洲栽培稻为单次驯化起源，所有栽培稻均来自中国南部的野生稻Or-IIIa群体（粳稻祖先）。籼稻由早期粳稻南迁后与当地野生稻Or-I群体杂交形成，而Basmati和Aus稻则是栽培稻间基因交流的产物。
3. 野生稻基因组大小（平均395 Mb）大于栽培稻（385 Mb），主要差异由转座元件（TEs）驱动，尤其是Gypsy类元件的近期扩张。
