2025年4月23日，国际顶级期刊《自然·遗传学（Nature Genetics）》以“Pan-genomic analysis highlights genes associated with agronomic traits and enhances genomics-assisted breeding in alfalfa”为题，在线发表了中国农业科学院北京畜牧兽医研究所杨青川团队的最新研究成果。该研究在构建紫花苜蓿高质量泛基因组的基础上，系统解析了其遗传多样性及耐盐和品质性状的遗传基础，推动紫花苜蓿功能基因挖掘和分子育种进入新阶段。
紫花苜蓿是全球最重要的饲草作物之一，被誉为“牧草之王”，在世界各地广泛种植。紫花苜蓿蛋白含量高、产草量高，且富含维生素和矿物质及其他活性物质，是牛羊等反刍家畜的优质饲草。紫花苜蓿还能根瘤固氮，培肥地力，减少化肥施用，显著提高后茬作物的产量。此外，在盐碱地种植紫花苜蓿还可以显著降低土壤的盐碱含量。然而，作为一种同源四倍体异花授粉植物，紫花苜蓿基因组高度复杂且变异丰富，严重制约了重要农艺性状相关基因的精准定位与有效利用。近年来，随着测序和基因组组装技术的发展，已有多个紫花苜蓿基因组被公布，但是仅依靠单一参考基因组难以揭示其产量、品质、抗逆性等重要性状的遗传机制，严重影响了相关基因的精准定位以及紫花苜蓿的遗传改良。
为破解上述难题，研究团队历时8年，从约200份国内外紫花苜蓿种质资源材料中筛选出24份代表性的种质材料，这些材料在产量、耐盐性、秋眠性、饲用品质等农艺性状上表现出较大的表型变异。研究团队利用三代测序数据对24份材料分别进行单倍型基因组组装，通过基因组比对分析筛选到约43万个缺失、插入、重复和倒位等结构变异（SV），这些SV主要富集于基因非编码区。利用24个材料的基因组成功构建了紫花苜蓿泛基因组，从泛基因组中共鉴定到约5.4万个非冗余基因家族，其中Core基因占11%、Shell基因占61%、Private基因占4%。功能注释分析表明， Core基因主要参与基础生命活动，而特异Private基因则主要参与遗传调控与环境适应。
图1 结构变异筛选与泛基因组构建
为挖掘与耐盐碱和饲用品质等农艺性状相关的结构变异，研究团队将紫花苜蓿种质材料重测序数据与泛基因组进行比对，并开展SNP-GWAS和SV-GWAS分析。在8号染色体定位到与盐胁迫下叶片生长性状显著关联的SV，在该关联位点附近筛选出11个候选基因，其中微管相关蛋白基因 MsMAP65 在耐盐与敏盐紫花苜蓿种质资源材料间存在表达差异，该SV位于该基因内含子区域，推测该基因在紫花苜蓿叶片生长发育与盐胁迫响应过程中发挥重要作用。
茎叶比（SLR）是影响紫花苜蓿饲用品质和株型的重要指标，本研究通过SV-GWAS分析鉴定出一个与SLR高度关联的SV，该SV位于一个赤霉素合成关键基因 MsGA3ox1 的下游。在紫花苜蓿中过表达 MsGA3ox1 能显著提高叶片数量与叶面积，降低茎叶比，从而提升紫花苜蓿的饲用品质。
图2 MsGA3ox1 基因调控紫花苜蓿茎叶比
此外，研究团队还利用泛基因组筛选获得的SV与SNP标记对紫花苜蓿群体的54个农艺性状进行了基因组选择（GS）分析。结果表明，SV对多个复杂农艺性状的预测准确性优于SNP，利用SV对耐盐性、生长发育和饲用品质等性状的预测准确率比SNP分别可提升29.10%、31.35%和44.54%。这一成果凸显了结构变异在复杂性状解析与分子育种中的重要价值，为苜蓿的分子设计育种提供了新的途径。
图3 利用SV和SNP标记进行GWAS和基因组预测分析
综上所述，该研究成果是杨青川团队历时多年，在紫花苜蓿功能基因组学方面取得的重大突破，是继2022年（Long et al ., 2022, Genomics, Proteomics & Bioinformatics）和2024年（Zhang et al ., 2024, Molecular Plant）苜蓿基因组及进化解析相关研究成果后的重要进展。本研究应用泛基因组揭示了紫花苜蓿丰富的遗传多样性，并挖掘出与耐盐性和品质等重要农艺性状相关的结构变异和候选基因，为紫花苜蓿的遗传改良提供了重要理论支撑。
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所助理研究员何飞、博士后张阳阳和深圳农业基因组研究所博士研究生陈帅为论文共同第一作者，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所杨青川研究员、龙瑞才副研究员和深圳农业基因组研究所张兴坦研究员为共同通讯作者。该研究得到国家牧草产业技术体系、农业生物育种国家科技重大专项、中国农业科学院科技创新工程和内蒙古自治区科技重大专项项目的联合资助。
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所杨青川研究员带领团队30多年来一直致力于紫花苜蓿的遗传育种研究，先后育成中苜系列国审紫花苜蓿新品种9个。这些品种已在我国12个省区大面积推广应用，1997年-2024年累计推广约一亿亩，经济效益、社会效益和生态效益显著。团队不仅在苜蓿传统育种和品种推广应用方面取得了一系列成果，在苜蓿分子育种方面也不断突破，构建了高效的苜蓿生物育种技术体系，为促进我国苜蓿种业自主创新和草食畜牧业可持续发展做出了重要贡献。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-025-02164-8