研究方向 2

课题组选取了两个物理距离邻近但土壤组成完全不同（火山岩和石灰岩）的野生大麦群体，综合表型组、变异组及转录组等多组学联合分析（Bian et al., Advanced Science 2020）(图 1)，发现两个群体在形态、基因组、基因表达等多个层面发生了显著的遗传分化，基因组选择分析发现，HvMOR通过调控大麦的根型以适应不同土壤，是野生大麦对土壤微环境适应性进化的关键基因（图 4）。该研究为同域物种形成理论提供了最直接的证据，也为揭示物种多样性的来源及植物变异的基础提供了重要信息。

课题组在全基因组水平对野生大麦、农家种及现代品种进行了比较（Tao et al., BMC Plant Biology 2022）（图 2），发现驯化相关基因（正选择基因）进化速率更快、外显子更少、GC含量更低；基因长度、内含子、外显子和第一外显子长度也更短；基因表达水平更低，且具有较高的组织特异性和密码子使用偏好性；单倍型网络揭示了候选基因的演化规律，驯化相关基因承受了更为严苛的遗传瓶颈。本研究为大麦在驯化过程中的进化轨迹提供了新的见解，为关键候选基因的功能研究、分子育种乃至作物从头驯化奠定了基础。

此外，课题组在全基因组水平鉴定了大麦mTERF（Li et al., Frontiers in Plant Science 2021），C3H（Ai et al., BMC Plant Biology 2022）等基因家族（图 3），研究了其系统进化、基因结构、功能域及分子选择压等，解析了其驯化过程中的遗传瓶颈及单倍型演化规律。特别地，课题组结合了5个近缘种鉴定了大麦基因组中扩张的基因家族（Luo et al., Frontiers in Genetics 2022），发现大麦DIR基因（HvDIR）家族发生了显著扩张，串联复制是该家族扩张的主要驱动力。表达谱和共表达网络分析表明，扩张的HvDIR在多种生物学过程，尤其是在逆境胁迫响应过程中发挥了重要作用，鉴定到HvDIR1、HvDIR6、HvDIR18和HvDIR19等多个候选基因。在此基础上，将大麦耐盐胁迫响应相关关键基因HvDIR1转化拟南芥，结果明显提高了转基因后代的耐盐性（图 3）。