我国科学家解密谷子高质量图基因组

2023-06-10 11:04:47
来源：光明网

群体遗传学证据清楚表明谷子单起源，全世界的谷子均来自中国。

小米是我国北方日常饮食中的重要粮食之一，产出小米的植物叫“谷子”。作为世界上最古老的驯化作物之一，在高投入（水利、化肥）农业生产系统到来之前，谷子在农耕文化中长期占据主粮地位。

近年来，随着人类对气候环境变化、农业可持续性和粮食安全的深入思考，谷子因耐干旱、耐瘠薄、C4高光效、环境适应性强和养分利用效率高等显著特征，再次引起越来越多的关注，正被迅速发展为C4光合和禾谷类作物耐逆及营养高效研究的模式作物。

(资料图片)

我国谷子育成品种在全球领先中国农科院供图

虽然科学家经过研究已证实谷子是从狗尾巴草驯化而来，但其驯化改良的过程一直成谜，而这也制约了C4光合模式植物体系和谷子遗传育种的发展。现在，这个谜题终于有了答案。中国农业科学院作物科学研究所刁现民团队经过数十年研究，组装了谷子第一个高质量图基因组，绘制了首个狗尾草属变异图谱，系统阐明了谷子起源及驯化改良的过程。这一成果于北京时间6月8日发表在国际权威期刊《自然·遗传学》上。

利用现代分子学生物技术，研究团队在对谷子野生种、农家品种和现代育成品种等1844份核心种质资源群体结构进行解析的基础上，从头组装了110个谷子和狗尾草高质量基因组，绘制了首个狗尾草属基因组变异图谱，构建了首个杂粮和C4作物高质量图基因组，认识了谷子资源变异的基本情况，系统解析了谷子驯化和改良过程中基因组变异。

谷子群体遗传特征分析中国农科院供图

同时，团队还历时10年，在13个地理环境下，对680份资源进行了68个性状的表型调查，形成了226组群体表型数据和表型组数据库；将基因组变异和表型数据关联，发掘出1,084个与表型显著关联的重要性状相关位点，如控制产量性状的SiGW3等。此外，研究还建立了基于谷子图基因组的最优预测模型和全基因组选择育种方法，该方法可加速作物遗传研究并使谷子表型预测精度最高提升12.6%。

谷子驯化、改良过程中基因组变异遗传特征解析中国农科院供图

研究构建的谷子基因组变异图谱、多环境多性状表型组、以及批量发掘的重要性状控制位点和基因，为谷子模式植物体系发展等基础研究和资源利用提供了重要数据基础，也为作物种质资源挖掘利用提供了重要参考。

我国积累了世界上最丰富的谷子资源中国农科院供图

论文通讯作者、作科所研究员刁现民表示，基于高覆盖深度测序，理清了谷子野生种、农家品种和现代育成品种的群体结构、分类和衍化关系，认识到谷子和水稻有着类似的基因组变异水平；群体遗传学证据清楚表明谷子单起源，全世界的谷子均来自中国。

中国工程院院士刘旭表示，我国是谷子的起源国，也保存有全世界最多的谷子资源，但系统深入的研究缺乏，限制了其遗传育种水平的提升。该研究清晰了谷子野生种、农家品种和现代育成品种三类资源的基因组变异本底，了解了三类资源的亚群分类和地理分布及其演化的可能过程，从遗传学上肯定了谷子单起源中心，即中国起源中心的理论，是利用新技术进行资源研究的典型代表。

中国科学院院士李家洋表示，此次发表的谷子图基因组研究，是杂粮领域第一个高质量图基因组。这一工作不仅是谷子研究的又一次“里程碑”式工作，也是对“小作物-大作为”的最好诠释，并将对其他作物研究具有重要推动作用。

中国科学院院士钱前表示，该研究更清晰地看到了基因组结构变异对发掘基因功能的重要性，为谷子模式植物体系提供了基因组和表型数据基础，全面提升谷子的育种水平和产量品质潜力，使我国保持谷子基础和育种研究的国际领先地位。

该研究得到国家重点研发计划、国家现代农业产业技术体系、国家自然科学基金和中国农业科学院创新工程等项目资助。（光明网记者宋雅娟）

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