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首個(gè)黍稷高質(zhì)量泛基因組來(lái)了!里面還藏著這個(gè)“秘密”

發(fā)布時(shí)間:2023-12-04 10:27:00來(lái)源: 光明網(wǎng)

  黍稷,也稱糜子、黍子、大黃米,是我國(guó)最早馴化的主要作物之一。然而,隨著水稻、小麥和玉米等主糧作物的興起,黍稷逐漸成非主要農(nóng)作物,主要種植于亞洲和歐洲的半干旱地區(qū)。

  近年來(lái),隨著氣候環(huán)境的變化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)性與糧食安全的關(guān)注,黍稷因其生長(zhǎng)周期短、根系營(yíng)養(yǎng)吸收能力強(qiáng)、需水量少、適應(yīng)鹽堿脅迫環(huán)境等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而,目前仍缺乏對(duì)黍稷品種資源群體遺傳結(jié)構(gòu)、基因組變異、馴化和育種相關(guān)功能基因等系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究,制約了黍稷育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  12月1日,記者從中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所獲悉,該所刁現(xiàn)民研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了黍稷第一個(gè)高質(zhì)量泛基因組和遺傳變異圖譜,系統(tǒng)性解析了黍稷品種資源的群體結(jié)構(gòu)、起源演化歷史與基因組馴化特征。研究在分子水平上為證實(shí)黍稷是中國(guó)單起源的作物,并通過(guò)我國(guó)西北地區(qū)傳入中亞和歐洲提供了有力證據(jù)。研究還發(fā)掘了139個(gè)黍稷重要農(nóng)藝性狀相關(guān)位點(diǎn)和基因,為未來(lái)黍稷分子育種和培育突破性品種提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·遺傳學(xué)(Nature Genetics)》。

  構(gòu)建首個(gè)黍稷泛基因組和迄今最全面的高質(zhì)量基因組變異圖譜

  中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員刁現(xiàn)民介紹,研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)全球來(lái)源的516份黍稷核心種質(zhì)資源群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析的基礎(chǔ)上,從頭組裝了32份高質(zhì)量基因組,系統(tǒng)解析了黍稷馴化和改良過(guò)程中基因組變異,并構(gòu)建了首個(gè)黍稷泛基因組和迄今最為全面的高質(zhì)量基因組變異圖譜。

  刁現(xiàn)民告訴記者,連續(xù)兩年,團(tuán)隊(duì)在14個(gè)環(huán)境下對(duì)該516份核心種質(zhì)的43個(gè)重要農(nóng)藝性狀進(jìn)行精準(zhǔn)鑒定,形成了包含903套數(shù)據(jù)的大規(guī)模表型數(shù)據(jù)庫(kù)。將基因組變異和表型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),發(fā)掘出139個(gè)與黍稷表型顯著關(guān)聯(lián)的重要性狀相關(guān)位點(diǎn)和524個(gè)黍稷馴化育種的選擇信號(hào)。團(tuán)隊(duì)同時(shí)對(duì)多個(gè)環(huán)境和性狀進(jìn)行了表型組分析,批量發(fā)掘了控制重要性狀的控制位點(diǎn)和基因,形成了一個(gè)黍稷分子育種的平臺(tái)。這些成果為黍稷等禾谷類雜糧作物的基礎(chǔ)研究和資源利用提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),也為作物種質(zhì)資源挖掘和利用提供了重要的參考。

  證實(shí)黍稷單起源于中國(guó),并通過(guò)我國(guó)西北地區(qū)傳入中亞和歐洲

  研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)516份黍稷種質(zhì)資源的深度重測(cè)序研究,對(duì)其起源與進(jìn)化進(jìn)行了全面的群體遺傳學(xué)分析,明確了黍稷是中國(guó)單一起源的作物并闡明了其傳播途徑。

  刁現(xiàn)民告訴記者,經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,他們認(rèn)為黍稷群體結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)主要類群:C1為我國(guó)東部/東北平原、C2中亞/歐洲、C3我國(guó)西北高原(主要產(chǎn)區(qū))和W野生類群。他們發(fā)現(xiàn)中亞/歐洲群的材料與甘肅和新疆栽培品種的遺傳結(jié)構(gòu)相似,證實(shí)了黍稷的單起源理論,并為黍稷經(jīng)由河西走廊并經(jīng)由我國(guó)新疆傳播至中亞與歐洲提供了理論基礎(chǔ)。

  “如果說(shuō)野生的和栽培的混到一塊兒,那現(xiàn)在的栽培種有可能是多起源的。目前看來(lái),野生種跟三類栽培種明顯分開(kāi),說(shuō)明黍稷從野生到栽培就一次過(guò)渡。那就證明它是單起源的?!钡蟋F(xiàn)民解釋說(shuō),“而且我們國(guó)家黃土高原一帶的品種,也就是C3類和野生的黍子很接近,這就說(shuō)明黍稷最早起源在我們國(guó)家的黃土高原,向東傳播至我們的華北、東北地區(qū);向西傳播,經(jīng)過(guò)新疆到達(dá)了歐洲。野生種馴化為C3類型,進(jìn)而形成C2和C1類型,分化順序和傳播路徑都清楚了?!?/p>

  為未來(lái)生物育種奠定理論基礎(chǔ)

  栽培黍稷具有生育期短、抗旱、耐瘠薄、適應(yīng)性廣等突出特性,是我國(guó)旱作農(nóng)業(yè)的代表性農(nóng)作物,在治理荒漠、開(kāi)墾荒地中是先鋒作物,因生育期短,也是眾所周知的作救災(zāi)作物。

  “近年來(lái),干旱加重和氣候變暖加速,大家開(kāi)始關(guān)心農(nóng)業(yè)持續(xù)性和糧食安全,黍稷又成了熱點(diǎn)”,中國(guó)科學(xué)院院士錢前認(rèn)為該成果為黍稷的基因組研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),并為后續(xù)的抗性改良等分子育種工作提供了重要的參考;同時(shí),這也為進(jìn)一步推動(dòng)黍稷這一重要谷物資源的利用和研究帶來(lái)了新的機(jī)遇,并為推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全做出更大的貢獻(xiàn)。

  中國(guó)工程院院士張獻(xiàn)龍認(rèn)為,該研究通過(guò)應(yīng)用高質(zhì)量泛基因組等前沿技術(shù),首次從分子水平證明了黍稷是中國(guó)起源作物,并構(gòu)建了黍稷的重要種質(zhì)及基因資源快速挖掘平臺(tái)?!斑@些研究成果為黍稷未來(lái)的生物育種奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),同時(shí)也為其他作物種質(zhì)資源研究和育種研究提供了寶貴的參考。”(光明網(wǎng)記者宋雅娟 肖春芳)

(責(zé)編:李雨潼)

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