《Theoretical and Applied Genetics》：The transfer of 98% of the genome of Aegilops mutica into wheat (Triticum aestivum)
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本研究针对普通小麦（Triticum aestivum）遗传多样性狭窄的问题，研究人员聚焦其野生近缘种Aegilops mutica，通过创建并表征新的小麦-Ae. mutica基因渗入系，实现了将Ae. mutica基因组98%的区域转入小麦的重大进展。该研究综合利用KASP基因分型、多色基因组原位杂交（GISH）和低深度全基因组测序（skim-sequencing）技术，系统解析了渗入片段，揭示了小麦与Ae. mutica染色体间的同源重组“热点”，为挖掘和利用Ae. mutica中蕴藏的优异农艺性状（如抗病、抗逆、高光合潜力等）提供了宝贵的遗传资源和高效的检测平台。
面对全球气候变化和人口增长的双重挑战，确保粮食安全是当今世界的一项核心议题。作为全球最重要的主粮作物之一，普通小麦（Triticum aestivum）为人类提供了约20%的卡路里。然而，在数千年的驯化和现代育种过程中，其遗传基础变得日益狭窄，这限制了小麦应对新型病害、极端气候和产量瓶颈的能力。幸运的是，大自然为我们预留了一个丰富的“基因宝库”——小麦的野生近缘种。这些野生亲属在长期的自然选择下，进化出了对多种生物和非生物胁迫的强大抗性或耐受性。但如何高效、精准地将这些宝贵的遗传变异“搬运”到栽培小麦中，并确保其稳定遗传，是科学家和育种家面临的长期难题。
Aegilops mutica Boiss. 就是这样一种未被充分利用的野生近缘种。尽管研究表明它可能携带对条锈病、叶锈病、秆锈病、高温、干旱乃至小麦瘟病等多种胁迫的抗性基因，但由于技术限制和认知不足，其巨大的育种潜力远未被开发。为了破解这一困境，诺丁汉大学小麦研究中心（Wheat Research Centre， WRC）的研究团队开展了一项雄心勃勃的工作。他们成功构建并系统分析了一系列新的小麦-Ae. mutica基因渗入系，首次实现了将Ae. mutica基因组的98%转移到普通小麦背景中。这项里程碑式的研究成果，不仅为小麦改良提供了一个前所未有的、近乎完整的野生种质资源库，还深入揭示了远缘物种间染色体交换的规律。该研究已发表在植物遗传育种领域的顶级期刊《Theoretical and Applied Genetics》上。
为了达成研究目标，作者团队运用了几项关键的技术方法。首先，他们通过杂交和连续回交，利用三个不同编号的Ae. mutica（2130004， 2130008， 2130012）与普通小麦品种‘Paragon’进行远缘杂交，创制了渗入系群体。其次，他们利用自主研发的染色体特异性KASP（kompetitive allele-specific PCR）标记对渗入系进行高通量基因分型，快速鉴定渗入片段的位置和纯合状态。第三，采用多色基因组原位杂交（multi-colour genomic in situ hybridisation， GISH）技术，直观地在染色体水平上确认渗入片段的存在，并观察染色体的数目与结构。最后，他们运用低深度全基因组测序（skim-sequencing， 覆盖度约0.05x）结合定制的生物信息学分析流程，对渗入片段进行精确定位和大小测量，并能发现KASP和GISH无法检测到的小片段渗入及复杂的染色体重排事件。这套“组合拳”实现了对渗入系从宏观到微观、从粗略到精确的多维度、互补性表征。
研究结果
Characterisation of wheat-Ae. mutica introgression lines
研究人员对新获得的68个纯合渗入系进行了全面表征，共鉴定出57个新的独特Ae. mutica渗入片段。这些渗入片段的大小差异很大，平均约250 Mbp，中位数76 Mbp，最小的仅为1.42 Mbp，最大的达636 Mbp（不包括整条染色体添加）。结合使用KASP、GISH和skim-sequencing三种方法至关重要，因为没有任何单一方法能提供所有信息。例如，在Mut15品系中，GISH观察到了两个渗入，但skim-sequencing揭示其中一个7T片段并未替换小麦7组同源染色体，而是与3A染色体发生了非同源易位。更重要的是，skim-sequencing检测到了五个KASP和GISH均未发现的小片段渗入（例如Mut10中的小片段），凸显了其在发现隐蔽变异方面的优势。此外，skim-sequencing还精准鉴定出GISH观察到的、小麦不同基因组（A、B、D）之间的同源重组事件，例如Mut58中3A和3D染色体间的片段交换。
Transfer of Ae. mutica genome into wheat
通过将本研究新鉴定的57个渗入片段与之前报道的14个渗入片段相结合，研究人员成功地将Ae. mutica基因组的98.1%转移到了小麦中。具体来说，2T、3T、4T、6T和7T染色体已实现完整转移，仅在1T和5T染色体上各存在一个缺口（分别约37 Mbp和51 Mbp），但通过之前获得的整条1T染色体添加系（DH-161）已补全了1T的遗传物质。从不同Ae. mutica种质来看，来自三个编号种质（2130004， 2130008， 2130012）的独特渗入片段数量分别为30、2和39个，总计71个。渗入片段数量最多的是2T和7T染色体（各17个），最少的是1T染色体（3个）。
Recombination between Ae. mutica and bread wheat chromosomes
研究发现，Ae. mutica片段与小麦不同基因组的重组频率存在显著差异：75%的渗入发生在D基因组，18%在A基因组，而仅有7%在B基因组。这与早期认为其与B基因组（因其与Ae. speltoides亲缘关系近）重组频率更高的预期不同，反映了小麦及其野生近缘种之间复杂的进化关系。研究通过分析来自不同BC1植株（即独立重组事件）的渗入系，发现了多个重组“热点”（hotspots），即在不同品系中，小麦和Ae. mutica染色体在几乎相同的位置发生交换。除了热点区域，重组也广泛发生在染色体其他部位，尤其是远端（端粒附近）区域，但也观察到了在着丝粒周围（interstitial regions）的重组事件。研究还观察到，在回交后代中，杂合的Ae. mutica渗入片段会与小麦染色体发生进一步的同源重组，从而产生更小的渗入片段，这证实了Ae. mutica携带有能够促进同源重组（即使在Ph1基因存在下）的因子。
研究结论与意义
本研究成功创制并系统表征了68个新的小麦-Ae. mutica纯合基因渗入系，结合之前的工作，共获得了包含71个独特渗入片段的119个品系，代表了Ae. mutica基因组98%的遗传物质已被转入小麦。这项工作构建了一个空前完整的、可用于小麦改良的野生遗传资源库。研究证实，综合运用KASP、多色GISH和skim-sequencing是全面、精准表征渗入系的最有效策略，特别是skim-sequencing能够发现传统方法无法检测的小片段渗入和复杂染色体重排。
研究揭示了Ae. mutica与小麦染色体间同源重组的分布模式，发现了明确的重组热点，且重组主要发生在D基因组。这些发现不仅增进了我们对远缘杂交中染色体行为的基础认知，也为未来设计更高效的基因渗入策略提供了参考。更重要的是，研究证实了Ae. mutica携带的遗传因子能够克服小麦Ph1基因对同源配对的抑制，促进同源重组，这解释了为何能在小麦背景下获得如此广泛和精细的渗入片段。
这些渗入系作为宝贵的遗传材料，其价值已初步显现。前期研究表明，部分品系携带对多种锈病、高温、白粉病、小麦瘟病的抗性，以及提高籽粒锌、铁含量和光合潜力的基因。这些材料已通过英国商业育种公司的“育种家观察小组”项目进行了多年田间评估，鉴定出许多有应用价值的性状，并已应用于预育种项目。最终，这些品系的种子将被存放在约翰英纳斯中心的种质资源库，供全球小麦研究和育种社区免费获取和使用。总而言之，本研究不仅为应对未来粮食安全挑战提供了强大的新种质工具，也展示了现代基因组学技术与传统细胞遗传学、育种学相结合，在挖掘和利用野生种质资源方面的巨大潜力。
