在一篇最新的《自然》论文中，来自德国、澳大利亚、瑞典、加拿大、美国等5个国家、22家研究单位，29名科研工作者合作发表了其开展的对燕麦中与人类健康和营养相关的基因家族的详细基因组注释系列合作研究，从基因层面为燕麦作为无麸质饮食的安全性提供了切实证据。论文第一作者是德国环境健康研究中心的Nadia Kamal，德国环境健康研究中心的Manuel Spannagl与瑞典隆德隆德大学理论与应用生物化学系Nick Sirijovski为共同通讯作者。

栽培燕麦 (Avena sativa L.) 是一种异源六倍体 (AACCDD, 2n = 6x = 42)，曾在土耳其安纳托利亚地区的小麦、二粒小麦和大麦地中作为杂草生长，在3000多年前被驯化。燕麦具有低碳、健康以及替代动物性食品的潜力。但是，缺乏完整注释的参考基因组阻碍了对其复杂进化历史和功能基因动力学的解析。该研究展示了栽培燕麦及其两种祖先物种Avena longiglumis（二倍体，AA，2n = 14）和Avena insularis（四倍体，CCDD，2n = 4x = 28）的高质量参考基因组。研究揭示了燕麦基因组的嵌合结构，追踪了燕麦多倍化进程中的大规模基因重组，并阐明了与燕麦特殊基因组结构相关的育种障碍。通过对与人类健康和营养有关基因家族的详细分析，展示了燕麦可用于无麸质饮食制作的证据，还对与燕麦用水利用效率相关的农艺性状进行了基因测序作图。燕麦属的这一资源将有助于利用其他谷物基因组的信息，提高对燕麦基本生物学的理解，并加速基因组学辅助育种和数量性状研究的再分析。

根据目前的科学证据，增加全谷物消费是降低生活方式相关疾病风险的最佳方法之一。近些年来，燕麦已经成为一种全新的健康谷物代表，比如燕麦奶、燕麦谷物片作为主力军开始逐渐出现在了健康食品市场中。全麦燕麦营养丰富，富含纤维、氨基酸组成平衡的蛋白质、不饱和脂肪酸和微量营养素使得其有一定的保健功能。随着燕麦产品的消费上涨，人们逐渐开始关注其功能。

燕麦作为一种全球广泛分布作物，产量在谷物中排名第七。与其他谷物相比，燕麦种植需要杀虫剂、杀菌剂或肥料都相对较少。燕麦谷物是抗氧化剂、多不饱和脂肪酸、蛋白质和膳食纤维（如β-葡聚糖）等人类健康有益营养成分的重要来源，对餐后血糖反应和预防心血管疾病非常重要。在自然界中，燕麦通常以二倍体、四倍体和六倍体的形式存在，其主要储存蛋白质为球蛋白。

该研究发现燕麦共包含了8万多个基因，并且出现了频繁的基因重排现象，但是基因组整体结构与小麦、大麦有一定相似性。对燕麦蛋白相关基因的分析表明，燕麦醇溶蛋白基因位于1D、3D、7A染色体，球蛋白基因（135个基因）位于1A、1D、3D、7A、4A、4D，C染色体组未发现贮藏蛋白相关基因。燕麦基因组不含α-或ω-醇溶蛋白基因，其醇溶蛋白基因与γ-醇溶蛋白、低分子量谷蛋白和大麦醇溶蛋白相似度较高。燕麦醇溶蛋白与球蛋白中富含谷氨酰胺和脯氨酸的重复序列含量远低于小麦和大麦，导致其蛋白分子量较小。总体而言，燕麦蛋白相关基因在拷贝数、蛋白质长度以及谷氨酰胺和天冬酰胺残基的含量方面与小麦表现出相反的趋势，且其中易引发乳糜泻和其他免疫反应的蛋白基因的比例、拷贝数和表达量均较低。这些证据都表明燕麦可纳入无麸质食品范畴。

此外，该研究还对燕麦可溶性膳食纤维相关基因组进行了研究，对糖基转移酶的纤维素合酶（GT2）和胼胝质合酶（GT48）基因家族进行了分类，以确定燕麦β-葡聚糖生物合成的遗传基础。结果表明，相比于其他禾本科作物，燕麦中β-葡聚糖的高含量和高质量并不是由于纤维素合成酶超家族基因的拷贝数增多导致的，而是由相关基因的等位变异和转录因子引发的。

综上所述，该研究对燕麦参考基因组的解析，为燕麦育种和燕麦基础生物学的研究，以及正在进行的泛基因组计划奠定了基础；有助于推动将基因编辑、基因聚合等技术应用于燕麦育种；同时，从基因组水平上对燕麦蛋白和β-葡聚糖等组分特殊营养组分的深度解析，为将燕麦广泛应用于降血脂、降血糖和无麸质食品的开发提供了支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04732-y