New Phytol | 四倍体小麦模式品种 Kronos 的高质量基因组蓝图及综合功能基因组学资源
发布时间：2026-02-26 17:09 浏览量：2
小麦是全球最重要的粮食作物之一，其中面包小麦（
Triticum aestivum
, 六倍体）和硬粒小麦（
Triticum turgidum
, 四倍体）养活了全球大部分人口。为了应对气候变化和不断增长的粮食需求，小麦育种和基础研究亟需高质量的基因组资源。
Triticum turgidum
cv Kronos（以下简称 Kronos）是一个在学术界和育种界广泛使用的四倍体小麦栽培品种，尤其以其
EMS 突变体库（TILLING 种群）
而闻名。过去十年中，全球研究人员利用 Kronos 突变体库生成了大量的外显子捕获（EC）、启动子捕获（PC）测序数据以及转录组和表型数据。然而，长期以来缺乏一个高质量的
Kronos 染色体级别参考基因组
，这限制了这些宝贵数据的充分利用，研究人员往往只能依赖其他小麦品种的基因组进行分析，导致许多 Kronos 特有的遗传变异和调控特征被忽略。
加州大学伯克利分校的
Ksenia V. Krasileva
团队在
New Phytologist
发表了题为“The annotated blueprint: integrated functional genomic resources for a model tetraploid wheat
Triticum turgidum
cv Kronos”的论文。该研究发布了
Kronos 的高质量染色体级别参考基因组
，并提供了一套综合的功能基因组学资源，包括手动注释的抗病基因（NLRs）、小 RNA（sRNAs）位点以及重新分析的 EMS 突变数据。这些资源将极大地推动小麦功能基因组学研究和精准育种。
1. 高质量 Kronos 参考基因组的组装与注释
研究团队利用
PacBio HiFi 长读长测序
和
Hi-C 染色体构象捕获技术
，组装了一个大小为
10.35 Gb
的 Kronos 参考基因组（v1.0 和 v2.0）。该基因组实现了染色体级别的连续性，其中 7 条染色体达到了端粒到端粒（T2T）的完整组装，另外 7 条染色体也锚定了一侧端粒（图 1）。
基因注释
：结合短读长和长读长转录组数据，注释了
71,357
个高可信度蛋白编码基因，BUSCO 完整性高达 99.9%。
重复序列
：基因组中约
88%
为重复序列，主要是 LTR 反转录转座子。
2. 抗病基因（NLR）的精细图谱与隐藏多样性
NLR（核苷酸结合富含亮氨酸重复序列受体）基因家族是植物免疫系统的核心，也是育种中最为关注的抗病基因来源。由于其序列复杂性和成簇排列，NLR 基因在基因组中极难被准确注释。研究团队对 Kronos 基因组中的
2328
个 NLR 位点进行了
手动注释和校正
，最终确定了
1089
个可靠的 NLR 基因（图 2a）。
基因组组织
：高质量的组装揭示了 NLR 基因在染色体末端的精细组织结构，特别是在
4A
和
7B
染色体的易位区域，发现了 NLR 基因的快速扩增和多样化（图 2f）。
新发现
：通过与其他小麦基因组对比，发现了 Kronos 特有的、在以往研究中被遗漏的 NLR 多样性，包括一些含有特殊结构域（如激酶结构域）的“集成结构域 NLR”（NLR-ID）（图 3）。
3. EMS 突变体库的高分辨率突变挖掘
利用新的 Kronos 参考基因组，研究团队重新分析了约
3000
个 EMS 突变体系的外显子捕获（EC）和启动子捕获（PC）测序数据。
突变检测提升
：相比于旧版本参考基因组，新基因组使得基因区和调控区的突变检测分辨率大幅提升。特别是启动子区域的突变检测数量增加了
2.4 倍
（图 5d）。
非 EMS 突变
：除了化学诱变产生的 SNP，还发现了大量非 EMS 类型的结构变异，揭示了突变体库中存在的背景遗传变异（图 5g）。
NLR 突变图谱
：在 1089 个可靠 NLR 基因中，有
924
个基因被检测到含有过早终止密码子突变，这为反向遗传学研究提供了极其宝贵的资源。
4. 小 RNA（miRNA 和 phasiRNA）的全基因组注释
研究团队还对 Kronos 的小 RNA 进行了全基因组注释，鉴定出
157
个 miRNA 基因座（
MIR
）和
10,965
个 phasiRNA 产生位点（
PHAS
）（图 7）。
PHAS 位点
：不仅包括编码基因来源 的
PHAS
位点，还发现了大量来源于非编码区（lncRNA）的
PHAS
位点，这些位 点在生殖发育中起重要作用。
结构变异关联
：许多 Kronos 特有 的
PHAS
位点 位于基因组结构变异区域，提示基因组重排可能是 sRNA 多样性演化的驱动力。
5. NLR 基因在发育过程中的组成型表达
通过重分析多个转录组数据集，研究发现许多 NLR 基因在没有病原菌诱导的情况下，在根、叶和
茎尖分生组织（SAM）
等组织中呈组成型表达（图 6）。特别是在 SAM 中，NLR 的表达受到严格调控，这可能与保护分生组织免受病原菌侵害同时维持干细胞稳态有关。
全文总结与展望
本研究为四倍体小麦模式品种 Kronos 构建了一个参考级别的基因组蓝图，并整合了包括高置信度基因注释、精细的 NLR 图谱、小 RNA 注释以及高分辨率的 EMS 突变数据在内的多维功能基因组学资源。
主要结论：
高质量基因组
：解决了以往基于短读长组装的碎片化问题，特别是解析了富含抗病基因的染色体末端区域。
抗病基因宝库
：揭示了大量此前未知的 NLR 基因多样性和结构变异，为抗病育种提供了新靶点。
突变体库升级
：大幅提升了 TILLING 群体中突变位点的检测效率和准确性，使这一经典遗传资源焕发新生。
sRNA 全景图
：建立了小麦 sRNA 研究的参考框架。
展望与意义：
这些资源将极大地加速小麦功能基因组学研究。研究人员现在可以利用这些数据更精准地设计引物、克隆基因、分析基因功能，并利用 TILLING 群体进行反向遗传学验证。Kronos 基因组的发布，不仅巩固了其作为模式植物的地位，也为小麦乃至整个禾本科作物的抗病、产量和发育研究提供了坚实的基础。
研究团队与资助
本研究由
加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）
的
Ksenia V. Krasileva
教授团队主导，联合了加州大学戴维斯分校、劳伦斯伯克利国家实验室、詹姆斯·赫顿研究所等多家机构。
第一作者
：Kyungyong Seong（加州大学伯克利分校）。
通讯作者
：Ksenia V. Krasileva（加州大学伯克利分校）。
资助信息
：本研究得到了美国农业部（USDA）、霍华德·休斯医学研究所（HHMI）、美国国立卫生研究院（NIH）等机构的资助。