大麥基因組測序研究進展

中圖分類號：Q94 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8395（2025）05-0672-11

doi：10.3969/j.issn.1001-8395.2025.05.007

大麥的起源.大麥（HordeumvulgareL.）是禾本科大麥屬一年生草本植物，是人類從采集和狩獵轉(zhuǎn)向耕種和畜牧業(yè)最早馴化的最重要的農(nóng)作物之_[1]，被稱作舊世界農(nóng)業(yè)的創(chuàng)始作物[2]，是繼玉米、水稻和小麥之后的第4大主要谷物[3.考古、歷史和分子研究表明，大約在一萬年前，大麥從最近的野生親緣種（Hordeumvulgaresubsp.Spontane-um）在\"新月沃地\"被馴化[4-5]，此后，其種植范圍在溫帶地區(qū)顯著擴大，馴化大麥適應(yīng)了當?shù)夭煌臍夂驐l件，從而產(chǎn)生了地方品種和現(xiàn)代品種的多樣性.然而，也有研究提出了大麥多系起源的理論，西藏被認為是東亞大麥額外的獨立馴化地，Dai等[6]證實了西藏野生大麥的存在，表明近東野生大麥和西藏野生大麥之間的分裂發(fā)生在大約276萬年前，并利用RNA測序技術(shù)和基因組相似性分析對大麥多系起源進行了證實[7].Wang等[8]基于群體的遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)育分析等手段，也證明西藏是栽培大麥的起源和馴化中心之一.“西藏野生大麥”在生態(tài)上明顯不同于“新月沃地”的種群，因為與遠低于 1500m 的西亞地區(qū)相比，它們在青藏高原海拔3000～4500m 甚至更高的條件下生存，其所受的環(huán)境脅迫是截然不同的[2.9].然而，也有報道提出了不同的觀點，他們基于深度覆蓋的全基因組和已發(fā)表的總共437個種質(zhì)的外顯子組捕獲重測序數(shù)據(jù)，表明無殼大麥青稞可能源自東部馴化大麥，并最有可能是巴基斯坦北部、印度，以及 4 500～3 500 年前的尼泊爾，他們認為西藏不能作為大麥的起源或馴化中心[1°].目前對于青稞的起源馴化可能仍然存在爭議.

大麥的應(yīng)用價值.如今，大麥是許多地區(qū)的重要糧食作物[1]，在眾多地區(qū)的糧食安全中扮演著關(guān)鍵角色，亞洲的東西部、北非和東非，大麥依然是當?shù)鼐用耧嬍持胁豢苫蛉钡囊徊糠諿12-15].大麥的產(chǎn)量和種植面積均居世界第4位，20世紀末世界大麥年產(chǎn)量約為1.4億噸，種植面積約為5500萬公頃[16].大麥作為食物的主要優(yōu)勢在于它對于健康的潛在益處，大麥已被證明是可溶性和不溶性膳食纖維的良好來源，它所含的 β -葡聚糖和母育酚在降低血液膽固醇和血糖指數(shù)、預(yù)防高血壓以及抗癌方面的功效已被廣泛報道[17-24].同時，在世界范圍內(nèi)，大麥更多地被作為飼料谷物，也用于制麥芽生產(chǎn)酒精飲料，大麥的釀酒歷史非常悠久，其使用最早甚至可追溯至公元前3000年左右，此外，有報道稱大麥能夠提取出天然抗氧化物質(zhì)[25-29].

大麥是了解作物對氣候變化反應(yīng)的絕佳模型，它從最初被馴化到如今已經(jīng)適應(yīng)了極為廣泛且截然不同的環(huán)境[30-31]，它們在其他作物無法適應(yīng)的地方廣泛存在，無殼大麥青稞甚至是唯一可以在超過4500m 海拔的高原上正常生長的農(nóng)作物[32].現(xiàn)如今，無論是野生大麥種質(zhì)還是地方品種或者其他大麥物種，都是重要的新等位基因來源.在預(yù)計的未來氣候?qū)θ蜣r(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生負面影響的背景下[33]，這些資源同廣泛的基因組和分析工具相結(jié)合，探索和捕獲變異，能夠促進遺傳多樣性和可遺傳表型之間的聯(lián)系，這些為開發(fā)適合特定環(huán)境的氣候適應(yīng)性作物奠定基礎(chǔ).大麥是自花授粉二倍體近交生物，常常被看作理想的麥類基因組模型物種，解析其基因組對于小麥族進化關(guān)系等基因組研究具有重要意義，但是，大麥基因組高占比的重復(fù)區(qū)域，使得拼裝其完整基因組極具挑戰(zhàn).

測序技術(shù)發(fā)展概論.測序技術(shù)的快速發(fā)展促進了基因組組裝的進步，1977年，Sanger等[34發(fā)明了鏈終止測序法，即Sanger測序技術(shù)，這一技術(shù)標志著基因組測序技術(shù)的開端.隨后Maxam-Gilbert化學(xué)降解法[35]、基于 Sanger 測序技術(shù)改進的更安全高效的熒光自動測序技術(shù)等技術(shù)相繼問世，被稱為第一代測序技術(shù).它們存在較多短板，諸如實驗安全和成本較高等問題，但Sanger測序技術(shù)因其極高的準確性廣受歡迎，甚至至今仍有應(yīng)用.人類基因組計劃（humangenomeproject，HGP）所采用的大規(guī)模測序技術(shù)正是基于Sanger測序法.為了克服第一代測序技術(shù)的局限性，測序技術(shù)開始向著高通量和低成本的方向發(fā)展.第二代測序技術(shù)應(yīng)運而生，包括瑞士Roche公司的454 焦磷酸測序技術(shù)[36]、美國Illumina公司的Solexa和HiSeq技術(shù)以及美國ABI公司的 Solid技術(shù)[37].特點主要包括高通量和短讀長，有效地解決了一代測序存在的效率低等問題[38].雖然第二代測序已經(jīng)有了很廣泛的應(yīng)用，但是讀長問題始終是其主要限制因素，使其在應(yīng)用于基因組測序時無法跨過基因組重復(fù)區(qū)域.第三代測序技術(shù)，相較于二代測序讀長更長，無需PCR擴增，效率更高，尤其適用于復(fù)雜基因組的解析.美國PacBio公司的單分子實時測序（singlemoleculere-altime，SMRT）技術(shù)、英國Oxford公司的納米孔光學(xué)測序技術(shù)（single-molecule nanopore DNA sequen-cing）和HelicosBiosciences公司的單分子測序技術(shù)（truesinglemolecularsequencing，tSMS）所代表的三代長讀長測序技術(shù)，顯著提升了人們獲取基因組序列的全面性與準確性.同時，在基因組測序領(lǐng)域，10× Genomics公司的長距離連鎖測序技術(shù)、Bio-NanoGenomics公司的基因組光學(xué)圖譜技術(shù)，以及高通量染色體構(gòu)象捕獲（Hi-C）技術(shù)為基因組序列的組裝和結(jié)構(gòu)的解析提供了極大的輔助，加之生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，各種序列組裝算法的不斷優(yōu)化，促使從人類到微生物、動物、植物的基因組測序領(lǐng)域迎來了革命性的變化.

2000年12月，第一個植物參考基因組擬南芥基因組序列的發(fā)表，開啟了植物基因組時代.在隨后的20余年中，數(shù)百種植物基因組完成了測序組裝，至今已發(fā)布超過1000個植物基因組序列[39].同時，很多物種的基因組序列已經(jīng)經(jīng)過了多次的改進組裝，達到了高質(zhì)量的近乎完整的級別，大大提高了序列的可用性，促進了下游諸如功能基因組學(xué)和群體遺傳學(xué)等多種生物學(xué)研究.2006年國際大麥基因組測序聯(lián)盟（IBSC）成立，并提出了10年內(nèi)基于BAC物理圖譜至少對大麥基因空間進行測序的設(shè)想可行性的概述.解析大麥基因組，對于大麥進化、馴化歷史研究、下游功能基因組學(xué)表觀組學(xué)研究、重要代謝途徑機制的探究、作物環(huán)境適應(yīng)性以及作物改良基因組輔助智慧育種等研究領(lǐng)域具有極大的促進作用與應(yīng)用價值（圖1）.本文將對大麥基因組組裝研究進展進行綜述.

1大麥栽培種基因組研究進展

1.1第一個大麥基因組一—Morex 2009年，國際大麥基因組測序聯(lián)盟通過高信息量指紋技術(shù)對大麥基因組進行物理圖譜構(gòu)建，并通過高密度的遺傳圖譜和多種技術(shù)方法，識別了83381個攜帶基因的克隆，并通過高密度的遺傳圖譜和多種技術(shù)方法來提高基因組解析的精度，該研究確立了大麥基因組測序的可行性，并制定了利用下一代測序技術(shù)來提高測序質(zhì)量降低測序成本的策略[40].Mayer等[41]通過新型方法整合染色體排序、下一代測序等技術(shù)，與模式草類植物基因組比較，估計大麥基因組大約包含32000個基因，并基于保守共線性，構(gòu)建了一個多層次的框架，為大麥基因分配了一個假設(shè)的線性順序，此外，他們還通過分析確定了大麥染色體上基因的過渡區(qū)，即中心粒的位置，并據(jù)此對基因進行了排序.Eversole等[42]對454Roche焦磷酸測序技術(shù)的可行性進行了測試使用，為復(fù)雜植物基因組的測序策略鋪平了道路.這些前期研究為大麥基因組的全面測序提供了重要的理論與實踐基礎(chǔ).2012年，國際大麥基因組測序聯(lián)盟利用全基因鳥槍法（IlluminaPE/MP）Roche454焦磷酸測序平臺以及Sanger測序平臺對品種美國春季六棱啤酒大麥“Morex”進行了基因組測序和組裝，同時對其8個組織進行了深度RNA-seq，從頭組裝構(gòu)建了1.9Gb的序列重疊群（Contig序列），由于基因組DNA重復(fù)區(qū)域占比很高，以及測序技術(shù)和組裝工具的局限性，該組裝生成的376261個Contigs中，N50長度僅達到 1425bp ，作為大麥基因組的“草圖\"序列，該研究發(fā)表在《Nature》上[43]，是人類對大麥基因組的首次拼裝.

2014年，Mascher等[44]通過綜合基因組資源背景下的計算分析方法，挖掘大麥的廣泛突變體集合，證明了大麥中測序作圖的可行性.Stein等[45]通過總結(jié)當時可用的基因組序列資源，以及自引入下一代測序以來大麥基因組測序所取得的最新進展，重點介紹了這些資源和進展在大麥研究以及最終作物改良中的應(yīng)用領(lǐng)域，為第一個大麥參考基因組的構(gòu)建奠定了重要的基礎(chǔ).幾年后，IBSC再次對大麥基因組進行了組裝，Mascher等[46]利用BAC、Il-luminaPE/MP、Roche454焦磷酸測序獲取單個BAC克隆的序列組裝，通過物理圖譜、遺傳連鎖圖譜和高度連續(xù)的BioNano光學(xué)圖譜將相鄰BAC進行合并排序，構(gòu)建了超級Scaffolds，最終利用Hi-C技術(shù)和POPSEQ遺傳圖譜進行染色體掛載， 94.8% 和 196.7% 的序列被掛載到染色體上，成功構(gòu)建了4.79Gb 的\"Morex\"大麥參考基因組（“Morex\"V1），該基因組ContigN50長度為 79Kb ，Scaffold N50長度為 1.9Mb ，BUSCO評估指數(shù)為 92.5% ，相較于最初的基因組“草圖”序列，質(zhì)量有了很大程度的提升，同時，該研究利用RNA-seq數(shù)據(jù)、參考蛋白預(yù)測、全長cDNA序列和PacBioIso-Seq數(shù)據(jù)進行自動化基因注釋，鑒定到39734個高置信度基因.該基因組是第一個真正意義上的大麥參考基因組，是大麥基因組研究的一個重要里程碑.Beier等[47]對該基因組的實驗和分析計算流程進行了詳細的報道.

在隨后的幾年里，該基因組經(jīng)過了2次的改進組裝.2019年，Monat等[48開發(fā)了一個開源的計算流程TRITEX，用于構(gòu)建小麥族作物的染色體級別基因組序列組裝，他們使用公開可用的四倍體野生埃默小麥和六倍體面包小麥序列數(shù)據(jù)評估了TRI-TEX的性能.由于大麥“Morex\"V1基因組存在大序列間隙、冗余和局部錯誤組裝等問題，因此他們利用該流程結(jié)合IlluminaPE/MP測序、 10× Genomics以及Hi-C測序技術(shù)，對“Morex\"V1序列進行了改進組裝，該組裝獲得了4.65Gb的“Morex”大麥參考基因組（“Morex\"V2），其ScaffoldN50長度達到40.2Mb ，注釋獲得32787個高置信度基因，BUSCO評估指數(shù)提升至 97.8% ，相較于之前的“Morex\"V1組裝提升 6.4% .2021年，Mascher等[49]進一步引入了三代測序技術(shù)PacBio SMRT長讀長測序、PacBio循環(huán)共識測序和Nanopore長讀長測序，同時結(jié)合了已發(fā)布的高覆蓋率Illumina短讀數(shù)據(jù)，組裝了大小為4.50Gb的“Morex”大麥參考基因組（“Morex”V3），該基因組ContigN50長度提升至69.9Mb ，ScaffoldN50長度提升至 118.9Mb ，包含7條染色體，共注釋到35827個高置信度基因，BUS-CO評估指數(shù)為 98.6% .到此，“Morex”大麥序列的拼裝告一段落，該品種基因組組裝前后歷時10年，從最初的基因組“草圖”序列到“Morex\"V3基因組的高質(zhì)量組裝，不僅對大麥基因組學(xué)研究具有重要意義，也為其他作物的基因組研究提供了寶貴的經(jīng)驗和方法，為未來的大麥功能基因組學(xué)、育種和遺傳改良提供了更為精確和全面的基因組資源.至今，該基因組仍然是大麥基因組學(xué)下游分析中常用的參考基因組.

1.2其他品種大麥基因組研究進展自“Morex”大麥基因組“草圖”序列完成拼裝過后，其他品種大麥的基因組拼裝也在相繼進行.Schreiber等[5對大麥品種“GoldenPromise”進行了測序組裝，整合了Illumina配對末端測序、長片段配對測序、Dove-tailChicago體外鄰近連接庫和染色體構(gòu)象捕獲測序（Hi-C）數(shù)據(jù)，生成了一個連續(xù)的參考組裝，組裝的基因組大小為 4.13Gb ，ContigN50長度為22.4Kb，ScaffoldN50長度為 4.14Mb ，組裝的7條染色體僅包含 2.2% 的間隙，從“Morex\"V2基因組成功轉(zhuǎn)移62605個基因到“GoldenPromise”參考組裝，BUSCO評估指數(shù)為 95.2% ，并發(fā)現(xiàn) 73.2% 的組裝區(qū)域為轉(zhuǎn)座元件，該組裝是基于大麥“Morex\"V1參考組裝的改進，并且質(zhì)量與“Morex”V2相當.Sato等[51]通過結(jié)合 Illumina HiSeq PE/MP 測序和454Titanium長配對測序數(shù)據(jù)，對日本麥芽大麥品種“HarunaNijo”基因組進行了測序組裝，該研究組裝的“HarunaNijo”基因組大小為2Gb，BUSCO評估指數(shù)為 80.2% ，ContigN50長度約為 3.5Kb ，是“Morex\"大麥“草圖”序列的2.5倍.結(jié)合FLcDNA和RNA-Seq數(shù)據(jù)，他們在“Haruna Nijo”基因組上鑒定了51249個基因模型，分布在30 606個位點上.此外，他們還鑒定到“HarunaNijo”基因組中約60.8% 的組裝序列為重復(fù)序列.Sakkour等[52使用國際大麥測序聯(lián)盟發(fā)布的TRITEX管道和Illumina短讀、長讀、10XChromium鏈接庫和Hi-C 數(shù)據(jù)，生成了“HarunaNijo”大麥的染色體級別基因組組裝，其大小為 4.28Gb ，ScaffoldN50長度為 18.9Mb ，鑒定到49524個高置信度基因，BUSCO評估指數(shù)為98.4% ，該組裝的質(zhì)量與“Morex\"V2參考組裝質(zhì)量相似. Xu 等[5]首次測序組裝了加拿大二棱麥芽大麥品種“AACSynergy”的基因組序列，他們使用了Illumina配對末端測序、長片段配對測序、PacBio測序、10XChromium鏈接庫和染色體構(gòu)象捕獲測序（Hi-C）技術(shù)來生成連續(xù)的組裝，最終構(gòu)建的基因組大小為4.85Gb，其中 4.14Gb 的Scaffold被錨定在7條染色體上，ScaffoldN50長度為 ?2.32Mb ，注釋了46845個基因，BUSCO評估指數(shù)為 93.9% ，發(fā)現(xiàn)82.3% 的組裝區(qū)域為轉(zhuǎn)座元件.值得注意的是，該研究使用了來自不同二棱品種“GoldenPromise”的Hi-C數(shù)據(jù)，他們認為組裝結(jié)果對于基于序列的變異研究是可用的，但不建議用于結(jié)構(gòu)變異分析.

1.3青稞基因組組裝研究進展青稞（HordeumvulgareL.var.nudumHook.f.）是禾本科，大麥屬一年生草本植物，因內(nèi)外穎殼分離[54]，籽粒裸露，又稱裸大麥，是大麥的一個變種，主要在中國西藏、青海、四川、云南、甘肅等地種植，其生育期短，耐寒性強，適宜青藏高原等地寒冷的氣候，是青藏高原地區(qū)的主要糧食作物[55-57].正是因為青稞對極端氣候良好的適應(yīng)性，使得它成了作物遺傳改良的重要遺傳資源.解析其基因組序列就顯得尤為重要.2015年，Zeng等[58利用全基因組鳥槍法（IlluminaPE），對青稞地方品種“拉薩鉤芒”進行了基因組測序組裝，成功構(gòu)建了大小為3.9Gb的基因組，其ContigN50長度為 18.1Kb ，ScaffoldN50長度為242Kb ，共注釋到36151個蛋白編碼基因，基因組中約 81.4% 被識別為重復(fù)序列，與“Morex”基因組相似.該研究在全球范圍內(nèi)首次成功構(gòu)建了青稞的參考基因組，此外，該研究還對10個代表野生和栽培品種的西藏大麥進行了全基因組重測序，發(fā)現(xiàn)野生群體的SNP數(shù)量幾乎是栽培群體的兩倍.2020年，Zeng等[59]利用二代測序（IluminaMP）和三代測序（PacBioSMRT）技術(shù)相結(jié)合的策略和遺傳圖譜更新了“拉薩鉤芒”的基因組組裝，該基因組組裝的Scaffold總大小為3.89Gb，其中 3.48Gb 的Scaffold序列能夠被錨定在7條染色體上，ContigN50長度為1.6Mb，ScaffoldN50長度為 4Mb ，共鑒定出40457個基因模型，BUSCO評估指數(shù)為 95.7% ，重復(fù)序列占全基因組的長度占比為81. 39% . Dai等[60]結(jié)合二代測序 Illumina PE/MP 和 PacBioSMRT長讀長測序技術(shù)，對青稞品種“藏青320”進行了基因組的從頭組裝，構(gòu)建了4.84Gb的基因組序列，并將4.59Gb的序列錨定到7個染色體上，該基因組ContigN50長度為 5.9Kb ，Scaffold N50長度為 200Kb ，共注釋了46787個高置信度基因，其中31564個基因通過39個野生和栽培大麥基因型的RNA測序數(shù)據(jù)得到驗證.

2大麥野生種基因組研究進展

野生大麥是栽培大麥的祖先種，含有大量與抗病和抗逆等性狀相關(guān)的基因[61].它們在形態(tài)、遺傳和生理等多個領(lǐng)域都具有廣泛的多樣性，是理想的遺傳和生理研究模式作物[62].Kuang等[63]采用Ⅱl-luminaPE、PacBioSMRT、 10× Genomics 和 Hi-C技術(shù)相結(jié)合的測序策略對大麥的野生近緣種[4海大麥亞種材料“H559”進行基因組測序組裝，組裝了大小為3.69Gb的基因組序列，其ContigN50長度為 6.83Mb ，ScaffoldN50長度為 524.47Mb ，共注釋到41045個高置信度基因，BUSCO評估指數(shù)為98.4% ，重復(fù)序列長度為3.14Gb占全基因組82.2% .此外，他們還成功建立了海大麥的高效轉(zhuǎn)化體系和基因編輯體系.Liu等[65]利用IlluminaHiSeq平臺進行短讀測序，組裝了野生大麥品系“AWCS276“的基因組序列，組裝大小為 4.28Gb ，同流式細胞儀估計的4.6Gb基因組大小接近，通過轉(zhuǎn)錄組測序預(yù)測到36395個高置信度蛋白編碼基因，該基因組BUSCO評估指數(shù)為 95.3% .通過與栽培大麥“Morex”基因組比較，發(fā)現(xiàn)野生大麥“AWCS276”含有更多參與生物和非生物脅迫抗性的基因.SATO等[66]發(fā)布了野生大麥品系“OUH602”的短讀序列組裝，該組裝利用IlluminaPE/MP和Hi-C技術(shù)，使用TRITEX管道，該組裝大小為 4.32Gb ，ScaffoldN50長度為 11.3Mb ，BUSCO評估指數(shù)為 95.5% ，基于“Morex”基因模型，預(yù)測了46807個蛋白編碼序列和43375個蛋白編碼基因，該組裝 72% 的序列區(qū)域被鑒定為重復(fù)區(qū)域.此外，比較顯示，該基因組與大麥參考基因組“Morex”V3具有高度的共線性，但也存在一些倒位.Zhang等[]對來自“進化峽谷\"南坡和北坡的2個野生大麥品系（EC-S1和EC-N1）進行了基因組從頭組裝，他們使用了OxfordNanopore長讀測序技術(shù)，二代短讀長測序技術(shù)、Hi-C和Bionano光學(xué)圖譜技術(shù)，組裝的EC-S1和EC-N1的基因組大小分別為5.03Gb和5.05Gb，ContigN50長度分別為 3.52Mb 和3.45Mb ，分別鑒定了39179和38737個高置信度的蛋白編碼基因.他們在2個基因組之間發(fā)現(xiàn)了大量的結(jié)構(gòu)變異（SV）與SNP，RNA-seq數(shù)據(jù)顯示2個品系之間的差異表達基因與干旱響應(yīng)和物候等性狀相關(guān)，該研究為理解作物的局部適應(yīng)和進化提供了重要的理論支持，此外，他們認為這2個基因組已達到接近T2T完整拼裝級別.

3大麥泛基因組研究進展

泛基因組（pangenome）是一個物種所有個體的基因組信息，代表了一個物種的基因組多樣性，包括在所有個體中發(fā)現(xiàn)的核心基因[68-69].相較于單一個體參考基因組，泛基因組可以更全面揭示某一物種的遺傳信息，對于挖掘新的功能基因和加深對物種遺傳多樣性的認識具有重要意義[70-71].

大麥泛基因組研究進展取得了一些初步成果，Monat等[2]提到國際大麥基因組測序聯(lián)盟提供了大麥的高質(zhì)量參考基因組，促進了多樣性分析、性狀定位、基因隔離和基因組輔助育種，并回顧了在其他谷物作物（如水稻、玉米）中的泛基因組研究進展，提出了大麥泛基因組研究的策略，主要包括：1）為一小批代表性基因型構(gòu)建高質(zhì)量的序列組裝；2）對大量多樣性基因庫樣本進行中等覆蓋度的短讀序列測序；3）使用互補方法，如染色體構(gòu)象捕獲測序和基于 k -mer的關(guān)聯(lián)遺傳學(xué).2020年，Jayakodi等[73]公布了20個具有代表性的大麥種質(zhì)資源（包括11個地方品種、8個栽培品種和1個野生種）的染色體級別基因組序列組裝成果，其中16個種質(zhì)的基因組使用Minia、SOAPdenovo和TRITEX方法組裝，3個種質(zhì)使用DeNovoMAGIC3平臺組裝，1個種質(zhì)使用DeNovoMAGIC3平臺和 10× Genomics測序組裝，并利用Hi-C和POPSEQ遺傳圖譜數(shù)據(jù)對這些序列進行染色體錨定，最終共獲得了20個染色體水平的基因組，組裝大小介于 3.8～4.5Gb 之間，ScaffoldN50長度介于 5.0～42.7Mb 之間，共注釋了35859至40044個高置信度基因.通過對300個基因庫種質(zhì)進行全基因組鳥槍法測序，發(fā)現(xiàn)了豐富的大倒位多態(tài)性，并對當前大麥優(yōu)良種質(zhì)中常見的2個倒位進行了詳細分析，一種可能是突變育種的產(chǎn)物，另一種與涉及地理范圍擴大的基因座緊密相連.2024，Jayakodi等[74使用PacBioHiFi和Hi-C測序技術(shù)對76個大麥（包括53個馴化大麥種質(zhì)，23個野生大麥種質(zhì)）進行了染色體水平的基因組組裝，并加上1315個基因型的短讀序列數(shù)據(jù)構(gòu)建了泛基因組.研究者們探究了關(guān)于與作物進化和適應(yīng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異的影響，量化了基因存在/缺失變異的程度，并構(gòu)建了一個基于注釋泛基因組的基因中心同源框架，他們發(fā)現(xiàn)了95237個層次同源基因組（HOGs），其中16672個是“核心基因組”的一部分，此外，他們還聚焦于4個與疾病抗性、植物結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)釋放和毛狀體發(fā)育相關(guān)的位點，發(fā)現(xiàn)了新的等位變異.大麥泛基因組的構(gòu)建對于促進大麥種質(zhì)的利用，發(fā)掘更多優(yōu)異的基因或位點提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

總結(jié)與展望

在本綜述中，探討了基因組測序技術(shù)的發(fā)展與近20年來大麥基因組組裝的進展，采用不同的測序技術(shù)和組裝策略（表1），目前已完成6個不同栽培品種的11個基因組的拼裝，包括栽培大麥與其變種青稞，野生大麥基因組拼裝完成了5個，通過這些組裝好的參考基因組，系統(tǒng)地揭示了大麥基因組的大小、基因數(shù)量、重復(fù)序列占比等關(guān)鍵信息.此外，通過綜合利用公共數(shù)據(jù)以及從頭組裝建立的2個大麥泛基因組，充分揭示了大麥的基因組變異、遺傳多樣性和馴化特征等信息.這些基因組資源，為下游研究中諸多領(lǐng)域提供了重要的參考.

測序技術(shù)以及拼裝策略的快速發(fā)展，極大地促進了人們對復(fù)雜基因組的解析.拼裝良好的參考基因組是下游分析的基礎(chǔ)，然而，植物基因組組裝往往極具挑戰(zhàn)性，因為它們通常具有多倍化事件，高比例重復(fù)序列等.無間隙端粒到端粒（telomere-totelomere，T2T）序列組裝，是利用多種測序策略，構(gòu)建染色體端粒到端粒無缺口的基因組組裝5.植物T2T基因組序列組裝已經(jīng)取得了較好的進展，擬南芥[76-77]、水稻[78]、玉米[79]、大豆[80-81]等眾多植物的T2T級別基因組均已完成組裝陸續(xù)發(fā)表，T2T基因組已經(jīng)成為基因組學(xué)研究的重要基礎(chǔ).截至目前，大麥T2T級別的基因組還未見報道，即使有研究使用超長測序策略組裝到接近T2T水平，完成高質(zhì)量的T2T組裝將是未來大麥基因組拼裝的突破方向.2022年Navrátilová等[82分析了大麥T2T組裝的前景，基于已有植物染色體的T2T序列組裝取得了突破的背景下，他們分析了大麥“Morex”V3組裝的序列間隙，發(fā)現(xiàn)該組裝幾乎缺少所有的中心粒序列和45S核糖體DNA重復(fù)陣列，原因是基因組本身的高度復(fù)雜性衛(wèi)星重復(fù)序列導(dǎo)致了拼裝故障，他們提出了使用超長序列讀取來覆蓋間隙的可能性.因此，未來利用更長的測序讀長拼接T2T大麥基因組是具有極大可行性的.

在測序技術(shù)水平不斷提升的背景下，物種的參考基因組開始從單一基因組組裝向多個參考基因組發(fā)展，單個參考基因組可能已經(jīng)不足以支撐下游研究，基因組研究已經(jīng)邁入泛基因組時代，如何快速尋找目標基因和位點已經(jīng)成為基因組時代的研究熱點.大麥在進化以及馴化中的人工選擇下，已經(jīng)形成了極為廣泛的遺傳多樣性，通過構(gòu)建全面準確的泛基因組參考，利用GWAS等技術(shù)鑒定更多的功能位點.物種核心基因、非核心基因和種間基因組變異等信息能夠受到更多的關(guān)注及應(yīng)用.

值得注意的是，青稞作為大麥重要的變種，它的基因組組裝相較于普通大麥是相對缺少的，在中國，青稞是極為重要的作物之一，尤其是對于青藏高原地區(qū)，它的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對于確保藏區(qū)糧食安全甚至社會穩(wěn)定具有重大意義.青稞生長于極端的氣候環(huán)境條件中，西藏青稞大部分種植區(qū)是屬于干旱、半干旱區(qū)域，且年降水分配不均，其生產(chǎn)受干旱脅迫的影響較為嚴重[83；青稞生長在青藏高原暴露于強的紫外線輻射，使青稞成為分析植物紫外線適應(yīng)機制的理想作物[84].所以青稞本身就可以作為重要的作物環(huán)境適應(yīng)研究材料，加之我國青稞產(chǎn)區(qū)保有豐富的青稞種質(zhì)資源與育成品種，在這樣的背景條件下，組裝高質(zhì)量的青棵參考基因組，進一步豐富青稞的基因組資源對于大麥環(huán)境適應(yīng)、抗逆、馴化、進化歷程等研究都是重要的補充.

在信息化時代的背景下，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)研究已經(jīng)向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向，作物育種進人4.0時代，全面精準的基因組信息，海量的基因組數(shù)據(jù)庫是基礎(chǔ)，基因組學(xué)、表觀組學(xué)、代謝組學(xué)以及表型組學(xué)等多組學(xué)相結(jié)合進行生物學(xué)機制解析，結(jié)合人工智能基因組輔助育種，能夠為作物改良智慧育種等提供重要的理論支撐.盡管大麥基因組研究已經(jīng)取得了顯著進展，但仍存在挑戰(zhàn)，特別是在結(jié)構(gòu)變異和基因組復(fù)雜區(qū)域的精確組裝上.未來的研究需要進一步優(yōu)化組裝算法，采用合適的測序技術(shù)組合策略，可以預(yù)見未來將會有更多的大麥基因組完成測序組裝.同時我們也期待完整的大麥T2T基因組拼裝完成.

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Research Advances in Barley Genome Sequencing

WANG Hao1， LIAO Qianhuan1， LIU Tinghui2， ZHU Bo ^1，3

（1.CollegeofLife Sciences，Sichuan Normal University，Chengdu 61o1o1，Sichuan;

2. Ganzi Academy of Agricultural Sciences，Ganzi 626o， Sichuan;

3.PlantFunctionalGenomicsandBioinformaticsResearchCenter，SichuanNormalUniversity，Chengdu61oio1，Sichuan）

Abstract：Barley（HordeumvulgareL.）hasbeenadopted forboth human staplefoodandlivestock forage，and itisoneof the earliestdomesticatedandoneofteostgograpicallywidelycultivatedrops.Deciphringbarleygenomicinorationisofgreatsig nificanceforudestandingitsomesicationevolutionomentaladaptatioandgeticdiversity，sellsfacilitatestein ingofimportantfunctionalgenesanditsgeneticimprovement.AsamemberofteTiticeae，arleyhasalargegenomewithaighpro portionofrepetitivesequences，makingtheassemblyof thegenomechallenging.Inrecentyears，tremendousprogreseshaveben madeinbarleygenomiceseachincludingthedenoaemblyndanotatioofteenome，hichevealitsasicgenomicarac teristics，whileapangenome，consistingof76barleygenomes，hasbeenconstructed.Thisarticlecomprehensivelyreviewsthepro gressachievedinthfeldofbarleygenomicsovertepast2Oyears，anddiscuestheorigindomestcationhstoryandteaplication valuesofbarley.Tisreviewalsoextendsourinsightintotheprospectofconstructingahigherqualitybarleygenomeasemblyandits potential values on barley genomic research and future applications for the genetic engineering and breeding.

Keywords：barley； high-throughput sequencing；genome assembly；pan-genome

（編輯 鄭月蓉）