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近日，Plant Communications在线发表了柏连阳院士团队潘浪课题组题为“Chromosome-level genome assembly of triploid Cyperus rotundus uncovers allelic expression patterns and herbicide resistance mechanisms”的研究论文。该研究综合利用 PacBio HiFi等测序技术，成功完成了三倍体香附子（Cyperus rotundus）的染色体级别基因组组装。基于该高质量基因组，研究解析了一个对草甘膦和草铵膦具有多重抗性的香附子种群的遗传基础：其草铵膦抗性源于靶标抗性机制，而草甘膦抗性则由非靶标抗性机制介导，进一步鉴定并验证了两个参与草甘膦非靶标抗性的关键基因，即CrABCG15和CrCASPL2C2。该研究为香附子功能基因组学研究与抗除草剂基因挖掘提供了重要基础数据资源。

杂草与作物的竞争可导致农作物减产幅度超过20%。其中，香附子凭借快速的地下块茎繁殖能力、强大的逆境适应性以及C4光合代谢途径的优势，被公认为全球最具危害性的恶性杂草之一。除草剂的长期单一使用加速了香附子抗药性的演化，因此，解析其抗药性机制已成为有效治理该抗性杂草的关键。然而，由于高质量基因组资源的缺乏，香附子的抗药性分子机制研究至今仍未见系统报道。鉴于此，构建香附子的高质量参考基因组并阐明其潜在的抗药性分子机制，对于制定其科学治理策略具有重要的理论与应用价值。

本研究以采自云南西双版纳的香附子为材料，通过深度测序，成功组装了大小为875.13 Mb的染色体级别三倍体参考基因组。该基因组的Contig N50达到4.07 Mb，共包含165条染色体，对应于三套单倍型，每套单倍型包含55条染色体，展现出清晰的结构和可靠的组装质量。该基因组表现出高度的连续性与完整性，且三套单倍型之间呈现出高度的共线性关系。进一步的基因注释共鉴定出72,354个蛋白质编码基因，同时揭示了丰富的重复序列与非编码RNA存在。结果显示，三套单倍体结构稳定、序列高度一致。分析结果表明，三套单倍型结构稳定、序列高度一致。该高质量基因组为深入解析香附子的遗传结构及其适应性进化机制提供了关键的研究基础。

图1.三倍体香附子基因组的染色体相关信息，共线性及进化关系

此外，研究团队采集了六个地理来源不同的香附子种群，并系统评估了其对草甘膦与草铵膦的敏感性差异。剂量反应实验结果表明，仅有来源于常德的R-HN种群对草甘膦和草铵膦均表现出双重抗性。进一步的转录组分析结合RT-qPCR验证揭示，该种群的草铵膦抗性源于靶标抗性机制，具体表现为谷氨酰胺合成酶2（GS2）基因的过量表达；而其草甘膦抗性则主要由非靶标抗性机制所介导。

基于香附子基因组数据，共鉴定出14,244个等位基因三联体。在敏感种群中，大多数三联体维持平衡表达状态；而在抗性种群（R-HN）中，平衡表达三联体的比例显著下降至约22%，同时主导型和抑制型表达模式的比例则显著上升。已知抗草甘膦非靶标抗性基因EcABCC8和EcAKR4-1的同源等位基因三联体，在抗性种群（R-HN）中相较于敏感种群，呈现出复杂的表达模式，具体表现为部分等位基因的表达上调和另一些等位基因的表达下调。这种三联体表达的动态变化，揭示了抗性相关基因受到的多等位基因复杂调控特征。进一步分析表明，在抗性种群（R-HN）中，表达上调和下调的等位基因广泛共存，这增加了将抗性表型归因于单个特定等位基因的难度。因此，本研究的后续分析将重点聚焦于满足以下条件的三联体：至少一个等位基因发生特异性上调，而其他等位基因保持稳定表达。此策略旨在更有效地挖掘香附子潜在的抗性候选基因。

图2.抗性与敏感香附子种群等位基因三联体的表达偏性与动态变化

为进一步探究其分子响应，本研究分别收集了香附子抗性（R-HN）与敏感种群在草甘膦处理后12、24及48小时的样品，并进行了转录组测序。聚类分析结果表明，不同基因在不同处理时间点对草甘膦胁迫的响应呈现出动态且多样化的表达模式。基于以下两个关键特征：(1) 在草甘膦处理后持续上调的基因簇；(2) 在抗性种群中特异性上调的等位基因，本研究最终筛选出19个候选基因。随后通过酵母异源表达系统对其中五个基因进行了功能验证，结果显示，过表达CrABCG15或CrCASPL2C2均能显著提高酵母细胞对草甘膦的耐受性。上述研究结果，为深入解析香附子对草甘膦产生非靶标抗性的分子机制提供了重要的实验证据。

图3.香附子草甘膦非靶标抗性候选基因的结构、表达及功能验证

课题组邬腊梅副研究员和罗姿助理研究员为本文的共同第一作者，柏连阳院士和潘浪教授为本文共同通讯作者。本研究得到了国家产业技术体系、国家重点研发计划、岳麓山实验室育种项目等项目的资助。

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