眾所周知，人類設計除草劑是為了殺死雜草，而在除草劑被反復使用的過程中自發的雜草除草劑抗性突變有巨大的選擇優勢，并往往會迅速主導雜草種群。導致雜草快速適應并表現抗性的兩種主要機制是非靶點抗性(NTSR)和靶點抗性(TSR)。NTSR是指降解或物理上阻止活性成分達到其目標的過程，NTSR通(tong)常涉及多(duo)個(ge)基因，抗性(xing)(xing)通(tong)常是定量的(de)。TSR具(ju)有更多(duo)的(de)定性(xing)(xing)效應(ying)，例(li)如對高水平除(chu)草(cao)(cao)劑的(de)抗性(xing)(xing)為(wei)特征，并且可以追(zhui)溯到改變(bian)除(chu)草(cao)(cao)劑靶標酶中單個(ge)氨基酸的(de)大效應(ying)基因突(tu)變(bian)。雖然(ran)這對農民來說是個(ge)麻(ma)煩，但也為(wei)詳細(xi)研究生物體如何快速響應強烈的選擇提供了機會，尤其是新產生的突變和群體中已存在的突變都起到什么樣的作用，哪個更重要？
近日，德國霍恩海姆大學、馬普生物所、根特大學、美國賓夕法尼亞大學、奧地利科學院、弗雷德里希·米歇爾實驗室以及巴斯夫公司的聯合研究團隊在《PNAS》在線發表了題為“Standing genetic variation fuels rapid evolution of herbicide resistance in blackgrass”的研究論文，介紹了研究團隊通過組裝大穗看麥娘( Alopecurus myosuroides )高質量參考基因組、分析已知抗除草劑等位基因變異以前向時間算法模擬發現TSR可能主(zhu)要是(shi)由群體中已(yi)存在遺傳變異引(yin)起的，而新(xin)的突變只(zhi)起次要作用，此外TSR的出現(xian)很可能早于(yu)除(chu)草劑的應用。這對于(yu)雜草防治(zhi)和除(chu)草劑的可持續利用具有積極的指導意(yi)義(yi)。
為了進行基因組測序和組裝，研究團隊從一個來源于德國的除草劑敏感群體（Appels Wilde Samen GmbH, Darmstadt）中選擇了一個未攜帶已知ACCase、ALS或葉綠體psbA位點TSR突變的單株作為參考。前人通過福爾根光度法估計大穗看麥娘（A. myosuroides）基因組大小范圍為4.2 Gb到4.7 Gb。為了更準確地估計所選單株的基因組大小，研究團隊用黑麥（Secale cereale）作為參考標準，進行了流式細胞測量，估量單倍體基(ji)因組大小(xiao)為3.56 Gb（圖1A）。通過獲得(de)約(yue)90倍(bei)的基(ji)因組(zu)(zu)覆(fu)蓋(gai)率(lv)的PacBio連續長片段（CLRs）、約(yue)44倍(bei)基(ji)因組(zu)(zu)覆(fu)蓋(gai)率(lv)的Illumina PCR-free短讀長以及約(yue)66倍(bei)基(ji)因組(zu)(zu)覆(fu)蓋(gai)率(lv)的Hi-C染(ran)色質接觸數據，研究團隊用FALCON-Unzip的方法從(cong)頭組(zu)(zu)裝了(le)大(da)穗看麥娘的基因組，最終組裝大(da)小為3.53 Gb，由七(qi)個Super-scaffolds組成（圖1B）。
組(zu)裝的大穗看(kan)麥(mai)娘的基(ji)因組(zu)與其他雜(za)草類相(xiang)比，其染色體水平的線性關系很高，其中線性關系最高的是青稞（Hordeum vulgare）（圖1C）。大穗看麥娘基因組的第2、3、4、5和7號染色體分別與青稞基因組第3、2、6、1和5號染色體有接近1：1的同義替換關系（圖1D）。一(yi)個例外是(shi)大穗看麥娘(niang)基因組的(de)1號(hao)染色(se)體(ti)（807 Mb）包含了(le)與青稞基因組第4、5和(he)7號(hao)染色(se)體(ti)呈線性關系(xi)的(de)片段(duan)。
新組(zu)(zu)裝的大穗看(kan)麥(mai)娘參考基因組(zu)(zu)使(shi)得評估歐洲(zhou)范圍內大穗看(kan)麥(mai)娘基因組(zu)(zu)的遺傳多(duo)樣(yang)性變得容易。研究團隊對1123個(ge)大穗看(kan)麥(mai)娘單株進行了ddRAD-Seq測序，這些單株全部來(lai)源于田間疑似(si)抗除草(cao)劑的(de)個(ge)體，代表了(le)來(lai)源于9個(ge)歐洲國家的(de)44個(ge)種(zhong)群，每(mei)個(ge)種(zhong)群有22-24個(ge)單株。為(wei)了(le)進(jin)行(xing)比較，研究(jiu)團隊還加入(ru)了(le)三個(ge)除草(cao)劑敏感的(de)參(can)考種(zhong)群（圖2）。該實驗(yan)平均測(ce)序深度為(wei)22.6倍(bei)，研究(jiu)團隊共(gong)鑒(jian)定到109924個(ge)單核苷酸(suan)多態性（SNPs）。最大似然法（ML）進化樹分析顯示，并未發現每個國家明確的系統進化情況（圖2A）。
種(zhong)群之間的(de)總體遺傳變異很低（FST范圍：0.01至0.05，n = 47；圖 2C），這與其(qi)他大穗看麥娘(niang)及其(qi)他野生雜草的研(yan)究(jiu)(jiu)類(lei)似(si)。種群內(nei)個(ge)體的相關度很高（FIS=0.1；范圍0.06至0.12）。在混合分析中，研(yan)究(jiu)(jiu)團隊鑒(jian)別出7到9個祖先群(qun)（圖2D），這與主成分分析（PCA）的聚類結果(guo)一致（圖2B、D）。來(lai)自(zi)比(bi)利(li)時(shi)（BE）、英(ying)國（UK）、盧森堡（LX）和法(fa)國（FR）的(de)單株(zhu)在遺傳上非常(chang)相似并聚集在一起。來(lai)自(zi)荷蘭（NL）的(de)一個(ge)種群(qun)NL11330其他種群差異最大，FST值高達0.05（圖2C）。來源(yuan)德國(guo)（DE）的(de)單株被分為三(san)個(ge)亞(ya)群(qun)，其中一個(ge)亞(ya)群(qun)與瑞士（CH）的(de)個(ge)體(ti)有共(gong)同(tong)的(de)祖先(xian)，另一個(ge)與奧地利(li)（AT）的(de)個(ge)體(ti)有共(gong)同(tong)的(de)祖先(xian)，第三(san)個(ge)亞(ya)群(qun)是高度混雜的(de)。波蘭(lan)（PL）的(de)種群(qun)與荷(he)蘭(lan)的(de)NL0166種群(qun)有共(gong)同(tong)的(de)祖先(xian)。綜(zong)上，整個(ge)歐洲范圍(wei)內存(cun)在清晰的(de)大穗(sui)看(kan)(kan)麥娘地理群(qun)體(ti)結構，盡管目前的(de)數據(ju)無法推斷大穗(sui)看(kan)(kan)麥娘地理遷移的(de)軌跡。
大部分關于除草劑耐藥性分子機制的研究都集中于除草劑抑制酶基因的突變上，主要是ALS和ACCase編碼基因，二者均可被一系列結構不同的化學物質抑制。為了了解特定位點突變和整體單倍型的多樣性，研究團隊擴增和分析了所有歐洲群體個體約13.2 kb的ACCase基因和約3.6 kb的ALS基因的片段。結果顯示，最常見ACCase基因突變是Ile1781Leu，這與該替換突變的多效性相一致，該替換突變也會在沒有選擇壓力的情況下產生而增加個體的適應性（圖3 A-C）。TSR突變通常以顯性方式作用，71.4%的ACCase基因TSR突變以雜合子的形式出現。
ACCase基因單倍型的PCA分析可將所有個體分為三個主要群體。為了更好地描述ACCase單倍型的多樣性，研究團隊進行了單倍型進化(hua)樹和(he)關系網分析（圖3），結(jie)果顯示(shi)，不同復雜性(xing)的單倍型網(wang)絡 (圖(tu)3 A-C）可能反映(ying)了每個(ge)種群所受到的選擇壓力。在群(qun)體中(zhong)，有TSR突(tu)變(bian)的27個種(zhong)群(qun)中(zhong)只(zhi)有4個種(zhong)群(qun)含有單(dan)一(yi)的TSR單(dan)倍(bei)型，且單(dan)一(yi)TSR單(dan)倍(bei)型的基(ji)因頻率很低(di)，只(zhi)有不到(dao)10%，從定義上來講(jiang)上，這反(fan)映了(le)很可能存在早期的“硬掃蕩(dang)”，但是其他23個種(zhong)群(qun)中(zhong)至少有兩個TSR突(tu)變(bian)的單(dan)倍(bei)型，這說明“軟(ruan)掃蕩(dang)”是正常的。在其中(zhong)14個種(zhong)群(qun)中(zhong)，研究團隊(dui)發(fa)現了(le)來源于不(bu)同獨立(li)突(tu)(tu)變事件(jian)的不(bu)同TSR突(tu)(tu)變單(dan)倍(bei)型(xing)，而不(bu)是(shi)同一TSR突(tu)(tu)變被通過(guo)重組轉移到其(qi)他單(dan)倍(bei)型(xing)上（圖3D）。這一觀察結果以一種無(wu)偏見的方式證實了早期(qi)探索性研究的推論。同時，研究團隊發現了從同一單倍型的單個區域產生了兩個或三個不同的TSR突變的7個單株（圖3 B、C和E）。獨立的(非重合）ACCase TSR單倍型的最大值是10。
使用除草(cao)(cao)(cao)劑(ji)的強大選擇(ze)壓力導致了(le)雜草(cao)(cao)(cao)非常快(kuai)速的抗性(xing)(xing)適(shi)應(ying)，但這有一個主(zhu)要的問題(ti)：除草(cao)(cao)(cao)劑(ji)抗性(xing)(xing)主(zhu)要由(you)(you)在(zai)(zai)使用除草(cao)(cao)(cao)劑(ji)之前群(qun)體中(zhong)就已(yi)存在(zai)(zai)的遺傳變(bian)異(yi)(yi)演變(bian)而(er)來(lai)還是使用除草(cao)(cao)(cao)劑(ji)后出現(xian)的新的突變(bian)演變(bian)而(er)來(lai)？為了(le)回答這個問題(ti)，研究團隊使用Hermisson & Pennings的方(fang)程，推導出適(shi)應(ying)性(xing)(xing)的概率（即通(tong)過TSR突變(bian)進化出的除草(cao)(cao)(cao)劑(ji)抗性(xing)(xing)）的期望(wang)值，以及(ji)這種適(shi)應(ying)性(xing)(xing)是由(you)(you)于群(qun)體中(zhong)已(yi)存在(zai)(zai)遺傳變(bian)異(yi)(yi)演化而(er)來(lai)的可能性(xing)(xing)。結(jie)果顯(xian)示，除草劑選擇發生之前的TSR變異的有害選擇系數對適應的概率只有很小的影響（圖4）；TSR突變可能主要是由群體中已存在遺傳變異引起的，而新的突變只起次要作用（圖5）。
圖4 不同場景適應(ying)性的模擬
綜上所述，研究(jiu)團隊對(dui)不同(tong)情況下大穗看(kan)麥娘除(chu)草劑適應(ying)性(xing)的研究(jiu)表明，隨(sui)著(zhu)人類對(dui)多樣性(xing)的除(chu)草劑抗(kang)性(xing)機制的了(le)解，很大一部分大穗看麥(mai)娘種群可(ke)能早已具備(bei)了針對(dui)(dui)目(mu)前使用除草(cao)劑的抗性和未來(lai)潛在新(xin)作用方式的適應性的的遺傳變(bian)異(yi)，這對(dui)(dui)我們(men)發展(zhan)可(ke)持續的除草(cao)劑使用策略具有重(zhong)要(yao)的指導意義。
Kersten S, Chang J, Huber C D, et al. [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(16): e2206808120.
北(bei)大荒墾豐種業-澤泉科(ke)技生物技術與(yu)表型服(fu)務(wu)中心是由北大荒墾豐種(zhong)業股份有(you)限公(gong)(gong)司和上海(hai)澤泉科技(ji)股份有(you)限公(gong)(gong)司共同(tong)建(jian)(jian)設的(de)開放式高通量植物基因型(xing)(xing)-表(biao)型(xing)(xing)-育(yu)種(zhong)服務平臺。中心建(jian)(jian)立了基因克(ke)隆(long)和載(zai)體(ti)平臺、作物轉化(hua)系統、基因型(xing)(xing)分(fen)析(xi)平臺、表(biao)型(xing)(xing)鑒(jian)定分(fen)析(xi)平臺、數據(ju)分(fen)析(xi)和利用平臺等現代化(hua)生物技(ji)術和信息支(zhi)持平臺，是定位于為植物科研(yan)和作物育(yu)種(zhong)提供植物基因型(xing)(xing)-表(biao)型(xing)(xing)-育(yu)種(zhong)數據(ju)分(fen)析(xi)的(de)科研(yan)服務平臺。
為了縮短(duan)您的育種(zhong)進程，提高您的育種(zhong)成功率，北大荒墾豐種(zhong)業-澤(ze)泉科技生物技術與表型服務(wu)中心將為您提供：分(fen)子標記(ji)開發(fa)與檢測服(fu)務(wu)+分(fen)子標記(ji)輔(fu)助選擇(ze)/回交(jiao)育種服(fu)務(wu)+高(gao)通量抗性表(biao)型鑒(jian)定的(de)硬件和服(fu)務(wu)方案(an)。
根據目標DNA/基因序列,可開發高效的分子標記（SNP-KASP、SSR等），并可實現單日最高一萬SSR數據點，以及數以十萬計的SNP數據點檢測。
SSR-瓊脂(zhi)糖電(dian)泳圖
SNP-基(ji)因分型圖
| ● 玉米、大豆、水(shui)稻等作物品(pin)種(zhong)真(zhen)實性鑒定 | ● 基(ji)因精細定(ding)位(wei) |
| ● 玉(yu)米、大豆、水稻等作物品種一致性(xing)檢測 | ● 種質資源分(fen)析(xi) |
| ● 玉米、大豆、水(shui)稻等作物品種純度檢測 | ● 分子標記輔助(zhu)育種(zhong) |
分子標記輔助選擇/回交育種服務
利用分子標記輔助目標基因選擇、背景選擇和去連鎖選擇，針對優良自交系的個別“短板”進行“定向”改良，回交不超過3代，獲得與原自交系一致或高度相似的新材料。
應(ying)用領域：水(shui)稻、玉米、大豆、小麥等(deng)作物定向改良。
植物結構特征性很強，具有復雜的三維結構。對自然界的植物形態及生長發育進行建模，有利于探索植物生長過程的規律，同時還能在農業生產中指導作物栽培、新品種選育及模擬農作物管理。北大荒墾豐種業-澤泉科技生物技術與表型服務中心培養室內植物，對其進行 3D 掃描成像，可構建三維點陣云圖，還可以通過可見光結合計算機視覺，可進行標準化非破壞性的高通量分析。作物穗結構與種子性狀屬于多基因位點控制的數量性狀，可間接反映產量潛力、種子的活力和質量，研究穗結構與種子性狀，對于育種、種質資源研究具有深遠意義。常規的穗結構與種子性狀分析多采用人眼觀察、尺子測量的方法，誤差大，可實現的參數少，可重復性差。北大荒墾豐種業-澤泉科技生物技術與表型服務中心標準化無損的高通量測量穗結構以及種子，大大提高了測量精度以及效率。
溫(wen)室(shi)型(xing)(xing)高通量植物表(biao)型(xing)(xing)成像系統
實(shi)驗(yan)室(shi)植物表(biao)型成像(xiang)系(xi)統
掃描得到(dao)的植物 3D 點陣云圖
基于(yu) Scanalyzer HTS 頂部可(ke)見光成像(xiang)的包菜(cai)種子形態(tai)、大(da)小篩選
擬南芥對稱性分析
應用高通(tong)量表型平臺分(fen)析(xi)水分(fen)對黃瓜的影響
如您需要了解更多信息，請識別下方二維碼填寫登記表，我們會為您提供專業的服務，真誠期待與您的合作！
相關閱讀：