小麥（Triticum aestivum L. AABBDD, 2n = 6x = 42）是重要的糧食作物，為人類提供了約20%的膳食能量和蛋白質。其基因組結構復雜，包含A、B、D三個亞基因組，分別來源于三個不同的二倍體祖先。小麥起源于亞洲中部的新月沃地，相比于其二倍體祖先，展現出了更強的適應能力和更廣的全球范圍分布。目前人們對于六倍體小麥廣泛適應性的遺傳基礎缺乏系統性研究，限制了抗逆育種和品種改良的進程。

水平基因轉移（Horizontal Gene Transfer, HGT）是生物進化的重要驅動力之一。HGT事件在低等生物中較為普遍，是其快速適應環境變化和獲得新功能的重要進化途徑。然而，HGT的發生頻率在高等植物明顯減少，備受人們關注的主糧作物中關于HGT的鑒定及功能研究更是鮮有報道。2025年3月27日，河南大學宋純鵬教授團隊在Nature Plants發表了以“Horizontally acquired CSP genes contribute to wheat adaptation and improvement”為題的研究論文。該研究首次報道，來自于原核生物編碼的冷激蛋白（cold-shock protein, CSP）的基因，水平轉移到主糧作物小麥族中，該基因在增強作物抗旱性等方面發揮著關鍵作用，暗示了其作為優化作物環境適應性寶貴遺傳資源的潛力。因為這些CSPs已經整合到受體基因組中，并且經過了長期的正向選擇，從而為現代轉基因工程和合成生物學技術改良現代作物提供了重要的借鑒。

作為課題組“小麥D基因組重建工程”衍生的系列工作，本研究由三個有機部分組成。首先，依據課題組前期完成的六倍體小麥（Triticum aestivum L., AABBDD）D亞基因組“祖先物種”4個代表性粗山羊草（Ae. tauschii, DD）的高質量參考基因組（Nature Plants, 2021）和相應網絡資源，利用HGT基因分析鑒定的策略，發現一類來源于細菌的HGT基因，該基因編碼的蛋白序列及結構與細菌中的CSP蛋白高度相似，僅在N端含有一個CSD結構域，命名為CSP-Hs。深入分析發現，CSP-Hs基因僅存在于小麥族成員中（圖1a），現代的六倍體小麥中存在的CSP-Hs可能源于基因組的多倍化過程。第二，利用分子生物學和基因組學技術，鑒定了CSP-Hs蛋白的核酸解鏈活性，并可與其調控基因的前體mRNA結合，維持其穩定性，從而調控一系列下游靶基因，包括光合作用相關基因和非生物脅迫響應基因等（圖1c）。進一步研究發現，CSP-H通過調控這些基因的轉錄本豐度，提高小麥對非生物脅迫的抗性以及光合效率，促進小麥從起源地向世界各地傳播（圖1b, d）。

第三，利用課題組創建的“開山”系列粗山羊草漸滲種質資源，開發有價值抗逆基因應用途徑。利用課題組前期完成的粗山羊草自然群體重測序數據，作者鑒定到兩種CSP-H基因的單倍型AetHap1和AetHap2（圖2a），其中AetHap1具有更強的核酸結合能力和非生物脅迫抗性（圖2b-c）。通過漸滲的方法將含有該單倍型的粗山羊草染色體片段導入到現代小麥品種周麥18（Zhoumai18）中，可顯著提高Zhoumai18的光合效率和單株產量（圖2d-e）。更令人感興趣是由于CSP-H基因僅存在于小麥族物種中，作者將該基因導入其他主糧作物，發現同樣可以提高干旱條件下水稻的產量（圖2f），體現了其優良的育種價值和應用前景。

該研究深刻揭示了HGT在作物適應和馴化過程中的關鍵作用，發現通過HGT獲得的外源基因在作物中具有更好的遺傳穩定性和環境適應性，為未來作物的育種與改良提供了寶貴的基因資源和全新的研究思路。更為重要的是該研究顯示，大自然長期以來一直利用細菌冷休克蛋白基因來提高作物適應性，而該基因正是轉基因作物工程中所使用的基因。鑒于公眾對轉基因生物（GMOs）存在擔憂，該研究為公眾科普提供了一個獨特且極佳的案例。

基于該研究取得的重要發現，Nature Plants同期發表了題為“Horizontal gene transfer of cold shock protein genes boosted wheat adaptation and expansion”的Research Briefing專欄推薦文章，總結和點評了該研究發現的意義和應用前景。針對本研究成果Nature Plants編輯團隊和專家評論：“這是一個令人非常感興趣的研究，盡管HGT在生物適應陸地環境的過程中起到了關鍵作用，但關于細菌來源的HGT直接作用于農作物的實例卻從未報道。該研究之所以引人注目，在于它揭示了來源于細菌的基因如何助力小麥的地理擴展，從而展現了此類基因轉移事件在作物進化歷程中扮演的重要角色”。

本研究由國重實驗室“小麥逆境適應及遺傳改良團隊”通力協作完成。青年學術骨干王凱、郭光輝、柏勝龍、馬建超和張震為該論文共同第一作者。宋純鵬教授，周云教授和黃錦嶺教授為共同通訊作者。中國科學院遺傳與發育研究所趙玉勝研究員，國重實驗室王偉教授、劉文成教授對本研究提供的重要幫助和建議。研究得到國家自然科學基金重點項目（32230079），國家重點研發項目（2022YFF1001602），河南省重點研發項目（231111110200）和河南省神農實驗室重點研發計劃（SN01-2022-01）等項目的資助。

宋純鵬教授長期致力于植物逆境生物學研究，聚焦“提高植物水分利用效率”這一重大科學和生產問題，在植物水分、養分高效利用研究領域取得了一系列系統、原創研究成果，先后獲得國家自然科學獎二等獎（2012年）和河南省自然科學獎一等獎（2020年）。其領導的“小麥逆境適應及遺傳改良”團隊從事現代小麥種質資源的篩選和遺傳改良工作。目前已完成對粗山羊草代表性品種的參考基因組組裝和優異種質篩選（Nature Plants, 2021），成功建立了粗山羊草-小麥快速漸滲（A-WI）平臺（Nature Protocols, 2024），創制了10萬余份漸滲系新種質，實現了全球粗山羊草群體99%以上的遺傳多樣性向現代小麥品種的轉移，通過高通量作物表型平臺篩選了一系列優良的粗山羊草-小麥漸滲系種質（New Phytologist, 2024），為研究D亞組的基因功能奠定了系統、全面、切實可行的方法學和遺傳材料基礎，并為其它作物野生資源的挖掘和利用提供了新范式。

全文鏈接：

https:// doi:10.1038/s41477-025-01952-8

來源：河南大學