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中外科学家破译珍珠粟基因组

2017 年 9 月 18 日,由国际半干旱地区热带作物研究所 (ICRISAT) 主导,深圳华大生命科学研究院(原:深圳华大基因研究院)、青岛华大基因研究院、深圳国家基因库 (CNGB)、法国研究与发展研究所(IRD)、美国乔治亚大学、德国植物遗传和作物研究所(IPK)等 33 家科研单位共同合作完成的珍珠粟基因组研究最新研究成果 发表 于国际著名杂志《自然 - 生物技术》(Nature Biotechnology)。该科研团队成功构建了珍珠粟全基因组序列,并从基因组结构、群体进化、物种性状关联分析等角度全面解读珍珠粟基因组,为农作物的科学研究、改善珍珠粟干旱环境下的农艺性状提供遗传资源。

珍珠粟项目为国际合作项目,得到了比尔和梅琳达·盖茨基金会的大力支持。在该项目中,华大参与整体项目设计,共同监督科研工作的推进。此外,华大承担全基因组二代测序及重测序样品的二代测序任务,负责基因组的组装、注释、基因家族与进化等基因组学方面的分析研究,对九百多个重测序样本进行变异检测,并与法国研究与发展研究所(IRD)的老师合作分析珍珠粟的群体多样性及其驯化历史。

珍珠粟属于禾本科黍亚科,是一种高度异花授粉的二倍体 C4 植物(2n=2x=14),具有非常高的光合作用效率和潜在生物量能产出。目前,珍珠粟的种植主要分布在非洲撒哈拉沙漠以南、印度及南亚等地区,是这些地区农民的主要食物来源。这些地区土壤肥力较低、土壤水分含量少且 pH 值盐度高,同时伴有高温、有限降水等恶劣环境,在这样的条件下,玉米、水稻、高粱、小麦等作物都无法广泛种植。珍珠粟却能很好地适应这样的干旱环境,在平均年降水量低至 250 毫米的地区仍可以生产粮食。

珍珠粟属于孤生作物,相对于水稻、玉米等农作物,目前在全世界范围内没有广泛的种植贸易,但珍珠粟粒营养丰富,蛋白质含量高达 8 -19%,淀粉含量低,纤维含量高(1.2 g / 100g),微量营养素浓度(铁和锌)也高于水稻、小麦、玉米和高粱等作物。因此,珍珠粟在印非等半干旱地区的粮食种植产业有着重要的地位,提高珍珠粟的产量对改善这些地区人民的饮食营养意义重大。该研究采用二代测序技术,对珍珠粟全基因组 DNA 进行了测序、组装,并通过构建遗传图谱将全基因组序列连成 7 条染色体。科研人员在珍珠粟基因组中发现验证了 378 个与植物抗病相关的 NBS(核苷酸结合位点)基因,其中有 26.2% 和 25.7% 分别位于 4 号和 1 号染色体,且有 QTL 定位表明这两条染色体上有霜霉病抗性位点。在这两个染色体的端粒区附近还发现了 NBS 基因的串联重复,这可能是珍珠粟基因组局部基因扩增的重要来源。

为了更好地研究珍珠粟的遗传多样性和驯化历史,研究人员对来自非洲和亚洲的 994 个优质开放授粉品种、杂交亲本近交系和近交系群体亲本个体及野生品种进行了全基因组重测序,发现栽培群体可能起源于西非中部的野生群体。研究人员通过群体多样性的比较分析鉴定了栽培品种在驯化过程的受选择区域以及这些区域中携带野生种与栽培种表型差异和形态发生相关的基因,为今后珍珠粟的驯化分析、表型 / 基因型关联研究提供了更详细的线索。

谷粒和桔梗及其成分性状对珍珠粟的产量至关重要,与这些性状相关的遗传标记在驯化中也经受选择。研究人员对珍珠粟近交种质群体的 288 个测交后代进行了 20 个性状的 GWAS 分析,发现每穗实粒数、单位面积粒数等在内的 15 个性状与一千多个标记存在强烈显著的关联,这些标记将有助于珍珠粟的遗传育种。

珍珠粟全基因组测序及近千个品种的重测序数据在公共数据平台的共享将为全球农作物的科学研究提供重要的资源。珍珠粟基因组的研究成果将会帮助人们更好地了解珍珠粟的遗传基础,了解珍珠粟在干旱和半干旱地区如何良好种植生产,加速珍珠粟的品种培育。

国际半干旱地区热带作物研究所所长 David Bergvinson 博士表示这项研究将为非洲和亚洲比较边缘的农业地区带来高产量珍珠粟的种植贸易。另外,找到珍珠粟耐热性更好的基因也将有助于推动加强其他作物如小麦、水稻和玉米的耐热性的研究。同时,此项目也证明了投资所谓的“孤生作物”或被忽视的作物的重要性。

随着全球温度的升高,下个世纪迫切需要耐热耐旱的农作物。该论文的通讯作者、深圳华大生命科学研究院院长、深圳国家基因库执行主任徐讯表示,珍珠粟在印非地区是非常重要的粮食作物,其基因组研究对珍珠粟的遗传育种、农艺性状改善有积极作用。不仅如此,针对珍珠粟能做的事情,也将可以拓展到所有的本地作物,这对支援印非半干旱地区其他农作物的种植开发有着重要的意义。

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