Nature Genetics | 太阳集团城娱8722孙其信团队揭示小麦抗旱耐热性状的基因组学基础与分子机制

全球气候变暖叠加极端干旱频发，已成为影响小麦生产的严重挑战。干旱、高温尤其两者叠加的复合逆境造成的产量损失，甚至超过所有病原菌危害总和。破解小麦抗旱耐热遗传机制、挖掘优异耐逆基因，成为保障粮食安全的重要命题。

2026年5月19日，太阳集团城娱8722小麦研究中心在Nature Genetics发表题为“Genomic and genetic dissection of drought tolerance in a resilient wheat germplasm JIN50”的研究论文，这是我国首篇聚焦小麦抗旱耐热研究的Nature Genetics论文。研究团队以源自我国山西干旱区的小麦抗旱耐热优异种质JIN50为核心材料，完成了高质量染色体水平基因组组装，联合31份小麦泛基因组与196 份完成苗期和田间抗旱性鉴定的重测序种质，通过整合SV、SNP和InDel的全基因组关联分析，鉴定出117个抗旱相关位点，并揭示了结构变异（SV）在抗逆性中的关键作用。该研究重点解析了两个关键基因及其优异单倍型的调控机制：调控根系发育的转录因子TaLBD1与介导甲基乙二醛解毒的酶TaGLYI7。这两个基因通过改善根系构型、增强复合逆境下细胞解毒能力两种不同机制，协同赋予了JIN50卓越的抗旱耐热特性，为培育“气候韧性”小麦品种提供了基因资源与育种策略。

一．抗旱耐热优异种质JIN50：从表型到基因组的系统性解析

JIN50是一份源自于中国山西干旱地区的小麦种质，研究表明其在全生育期均表现出优异的抗旱与耐热特性。研究团队利用PacBio HiFi（34.7×）和Hi-C（57.23×）技术，完成了JIN50的染色体级别基因组组装，总大小为14.57 Gb，contig N50达50.24 Mb，scaffold N50达719.03 Mb，BUSCO完整性达99.10%，LAI指数为17.48，达到了高质量参考基因组标准。注释获得140,422个高置信蛋白编码基因。通过与中国春（CS）基因组比较，利用SyRI鉴定出222,737个存在/缺失变异（PAV）、181个倒位和396个易位。PAV相关基因显著富集于逆境响应、激素信号传导等通路。进一步结合DNA甲基化分析发现，PAV区域常伴随DNA甲基化变化，尤其是在启动子区域，提示结构变异可通过表观调控影响基因表达，为抗旱性分化提供了潜在机制。  

Fig. 1 The drought and heat-resistant phenotypes and genome assembly of JIN50.

Fig. 2 PAV-related alterations and DNA methylation variation in JIN50.

二．结构变异（SV）驱动下的抗旱性全景图谱

普通小麦为异源六倍体，基因组大、重复序列高，单一参考基因组难以覆盖全物种遗传多样性，结构变异（SV） 更是长期被忽视的抗旱遗传资源 “宝库”。研究团队整合了31份高质量小麦基因组与196份重测序种质，构建了包含424,854个SV的泛基因组图谱。JIN50独有2,820个SV。基于产量抗旱系数（DTCGY）与苗期存活率（SR），团队开展了综合SV、SNP和InDel的全基因组关联分析，共鉴定出117个显著关联位点，其中有61个位点与已报道的抗旱相关基因位置相近。重要的是，JIN50携带了39个与DTCGY相关、27个与SR相关的已知位点，其中分别包含27个和19个“优异等位变异”（即该等位变异携带者平均抗旱性显著更高）。这些结果系统解释了JIN50在群体中突出的抗逆表现。

Fig. 3 Epi-allelic variations affect drought resistance in wheat.

三．SV驱动表达差异：TaLBD1通过根系发育参与抗旱性调控

    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转座子插入（SV203141）引起了关注。这个SV位于TaLBD1基因的启动子区。TaLBD1编码LBD类转录因子，在根中高表达，提示其可能参与根系发育。与中国春（CS）相比，JIN50中TaLBD1启动子中的转座子缺失使该区域呈现DNA甲基化水平显著降低，同时JIN50中TaLBD1在旱胁迫下转录水平显著上调。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。

进一步通过构建NILs、CRISPR/Cas9敲除株系与过表达株系，研究团队证实：TaLBD1过表达显著增加侧根数量，提高小麦苗期与灌浆期的抗旱性；在田间干旱条件下，TaLBD1过表达株系产量显著高于野生型，而敲除株系产量下降；单倍型分析显示，TaLBD1JIN50等位变异在现代品种中占64.2%，在地方品种中仅占19.5%，说明其已受到育种选择，但仍有进一步育种利用空间。该部分揭示了SV介导的表观调控如何通过根系发育影响抗旱性，为抗逆遗传改良和分子育种提供了新靶点。

Fig. 4 TaLBD1 enhances wheat drought tolerance by regulating promoter methylation levels.

四．细胞解毒的“卫士”：TaGLYI7调控小麦抗旱耐热性的分子机制

在产量抗旱系数和苗期存活率的全基因组关联分析中，均检测到位于1AS上一个稳定的关联位点。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，只有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。MG在逆境下过量积累会损伤细胞，因此Glyoxalase I是重要的解毒酶。该基因编码区的一个11-bp的InDel可将其在自然群体中分为两种单倍型：JIN50型的TaGLYI7HapA和LM23型的TaGLYI7HapB。多个层面功能验证证实，TaGLYI7HapA的乙二醛酶活性显著高于TaGLYI7HapB，且甲基乙二醛积累更低，在干旱和热胁迫下存活率也更高。过表达TaGLYI7HapA的株系在酶活性、存活率和产量方面均优于TaGLYI7HapB的株系，并且使用特异性抑制剂BBGC可消除这一优势。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TaGLY17HapB；深入研究发现，TaGLYI7HapB与BR信号通路中关键激酶TaBIN2相互作用更强，导致丝氨酸163位点磷酸化水平升高，进而通过26S蛋白酶体途径加速降解；而TaGLYI7HapA因与TaBIN2互作减弱、磷酸化水平降低进而使其蛋白更稳定。田间环境下，TaGLYI7HapA过表达株系在干旱尤其旱热复合胁迫下千粒重和单株产量显著提高且优于TaGLYI7HapB；通过两套不同遗传背景的近等基因系大田试验进一步证实抗旱耐热优异单倍型TaGLYI7HapA的增产效应。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，预示着该抗旱耐热优异等位变异在抗逆育种中具有重要利用潜力。

Fig. 5 TaGLYI7 enhances drought and heat resistance in wheat by modulating the glyoxalase activity under stress conditions.

五．从基因组到育种，筑牢粮食安全防线

本研究构建了抗旱耐热优异种质JIN50的高质量参考基因组，鉴定到TaLBD1和TaGLYI7两个具有重要育种价值的抗逆优异单倍型，在不影响产量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。揭示了结构变异通过表观调控、翻译后修饰等分子机制影响抗旱耐热性状的新机制，并明确了优异单倍型的分布与育种利用前景。这些成果为小麦抗旱耐热分子育种提供了重要基因组学基础和优异基因资源。未来，通过分子标记辅助选择、基因编辑、快速育种等技术，将TaLBD1JIN50与TaGLYI7HapA等优异等位基因高效聚合，为快速培育抗旱、耐热、高产、广适的气候智能型小麦新品种，有效应对全球气候变化挑战，为端牢“中国饭碗”、保障全球粮食安全贡献坚实科技力量。

太阳集团城娱8722小麦研究中心孙其信院士、胡兆荣教授为该论文的通讯作者；已毕业的博士林靖辰（现为中国农科院作科所博士后）、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；小麦研究中心辛明明教授、姚颖垠教授、郭伟龙教授、彭惠茹教授、解超杰教授和倪中福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。