中國農大新聞網訊 近日，中國農業(yè)大學玉米生物育種全國重點實驗室、國家玉米改良中心宋偉彬團隊在《自然·遺傳學》（ Nature Genetics ） 上發(fā)表論文《黍稷優(yōu)異基因資源挖掘》（ Genomic variation in weedy and cultivated broomcorn millet accessions uncovers the genetic architecture of agronomic traits ）。
玉米，作為我國的第一大糧食作物，對于保障國家糧食安全具有至關重要的意義。長期的人工選擇造成了優(yōu)良等位基因的缺失，導致種質基礎趨于狹窄，嚴重限制了玉米育種創(chuàng)新。因此，開展玉米近緣物種組學研究，通過比較基因組學技術手段挖掘玉米近緣種特有、特優(yōu)基因資源并應用于玉米育種，對玉米種質基礎的拓展具有重要的理論和實踐指導意義。玉米近緣種黍稷起源于中國而且是最為古老的農作物之一，具有生育期短、耐旱耐瘠薄、適應鹽堿脅迫等特點，暗示著黍稷基因組中蘊藏著豐富的優(yōu)異基因資源。宋偉彬前期與合作者組裝了黍稷 （隴糜 4 號） 基因組，共注釋出 63,671 個編碼基因，進一步與玉米自交系 Mo17 （39,756個編碼基因） 的比較基因組學分析發(fā)現(xiàn)，63,671 個編碼基因中 11521 個是黍稷特有 （Nature Communications, 2019）；為了從 11,521 個黍稷特有基因中發(fā)掘出與農藝性狀和育種選擇相關的基因，團隊開展了育種過程中黍稷基因組變異圖譜構建工作。
該研究團隊系統(tǒng)地完成了中國野生黍稷種質資源的收集和基因資源挖掘工作。團隊從內蒙古、陜西、甘肅、遼寧、吉林、河北、山西、寧夏、黑龍江的等10個省份的路邊、丘陵、山地、農田等地收集了 967 份野生黍稷，結合 937 份栽培黍稷組成了一個 1,904 份的黍稷大群體。利用雙末端 150 bp 測序獲得黍稷群體的全基因組重測序數(shù)據(jù)，產生了 65.1 Tb 的數(shù)據(jù)，平均基因組覆蓋度為 40.3 倍。根據(jù)基因組覆蓋度和 IBS，對野生黍稷和栽培黍稷進行篩選，過濾低覆蓋度和遺傳背景相似的品種。最后保留了 1,094 份黍稷進行后續(xù)分析，包含 316 份野生黍稷和 778 份栽培黍稷。
研究人員利用鑒定的 5,603,840 個 SNPs 解析了黍稷的群體結構，將黍稷群體分為四個亞群：LR （Liao River，遼河野生黍稷亞群）、YY （Yin Mountain and Yan Mountain，陰山-燕山野生黍稷亞群）、LP （Loess Plateau，黃土高原野生黍稷亞群）、Cultivated （栽培黍稷亞群），發(fā)現(xiàn)野生黍稷和栽培黍稷具有明顯的遺傳差異。進一步分析發(fā)現(xiàn)，黃土高原野生黍稷亞群與栽培黍稷分化時間最為接近 （4,600 年前），這與考古學的時間相吻合，也證實了現(xiàn)代栽培黍稷起源于黃土高原地區(qū)的單一起源理論，為黍稷的起源中心提供了理論支持。這些結果填補了中國黍稷遺傳多樣性研究的空白，并明確了現(xiàn)代栽培黍稷在中國的精確起源地里位置，有助于我們更加全面地了解中國黍稷的遺傳特征、起源及其與栽培黍稷的關系 。
分析發(fā)現(xiàn)，在馴化過程中黍稷基因組不僅發(fā)生了單核苷酸變異和小片段的序列變異，也存在大片段的結構變異。每個野生黍稷材料平均含有 1,431 個 SVs，每個栽培黍稷平均含有 538 個 SVs，每個野生黍稷的 SVs 數(shù)量接近是栽培黍稷的 3 倍。為了分析 SVs 在馴化過程中的動態(tài)變化，該研究分析了 SVs 和 TE 的關系。發(fā)現(xiàn) SVs 主要發(fā)生在 Gypsy 類型的 TE 上，另外 Gypsy 類型的 SVs 在黍稷馴化過程中受到選擇，可能在馴化過程中發(fā)揮重要作用。為了探究 SVs 對基因的影響，分析了 SVs 和基因的位置關系，結果顯示結構變異使基因組 10% 的基因為 PAV。其中，栽培黍稷特有 2,149 個 PAV 基因，野生黍稷特有 2,892 個 PAV 基因，這些基因更多表現(xiàn)在影響植株的抗性和馴化性狀。比如，栽培黍稷群體中的一個長度為 41 kb 的 deletion 引起影響籽粒大小基因 PmTGW6 的缺失、另外一個長度為 10.3 kb 的 deletion 引起影響落粒性基因 PmSh1 的缺失。
為了鑒定與產量相關的 QTL 位點，研究人員利用鑒定到的 SNPs、Indels、SVs 對 12 個農藝性狀進行全基因組關聯(lián)分析，并鑒定到 186 個 QTL。其中與籽粒大小顯著關聯(lián)的 PmGW8 外顯子上的 T 堿基缺失導致該基因發(fā)生移碼突變，并且該基因在黍稷馴化過程中受到了強烈的選擇；鑒定到兩個與抽穗期顯著關聯(lián)的基因 PmFT 和 PmPRR37 ，通過在擬南芥中過表達驗證了 PmFT 能夠正向調控花期，可以顯著縮短開花時間；鑒定到了與株高顯著關聯(lián)的水稻 sd1-1 的同源基因 Pmsd1 基因，并且通過在黍稷中敲除 Pmsd1，證實了 Pmsd1 參與了調控黍稷的株高和總穗長。綜合分析發(fā)現(xiàn)，野生黍稷能鑒定更多籽粒相關的 QTL，暗示著野生黍稷資源在黍稷籽粒性狀的改良育種過程中可發(fā)揮重要作用。
野生黍稷和栽培黍稷在我國北方地區(qū)具有廣泛的分布，因而需要適應不同的生態(tài)和地理環(huán)境。開花期是植物適應當?shù)丨h(huán)境的重要性狀，解析花期的分子進化機制是了解黍稷適應性的關鍵。研究人員利用鑒定到的兩個抽穗期 QTL，qHD2 和 qHD5 來探究野生黍稷和栽培黍稷的適應機制。結果表明野生黍稷通過選擇 qHD5 的不同單倍型調節(jié)生長周期來適應不同緯度的環(huán)境，栽培黍稷通過選擇 qHD2 的早花單倍型來適應高緯度的光周期條件 。
綜上所述，通過野生黍稷和栽培黍稷基因組多態(tài)性分析，結合比較基因組學技術手段共鑒定出 3,398 個育種過程中受選擇基因，其中 324 個是黍稷特有基因；調控 12 個農藝性狀的 1698 個候選基因中 262 個是黍稷特有，去除掉 7 個重疊基因，共計鑒定到 579 個黍稷特有基因，這為利用生物育種技術拓展玉米種質基礎提供了重要基因資源。
中國農業(yè)大學玉米生物育種全國重點實驗室、國家玉米改良中心、農學院 宋偉彬 教授為該論文通訊作者。中國農業(yè)大學博士生 陸瓊、中國農業(yè)大學農學院、分子設計育種前沿科學中心 趙海楠 研究員、博士生 張政權、博士生 白雨禾、中國農業(yè)大學 趙海銘 副教授、河北省農科院 劉國慶 研究員為該論文共同第一作者。中國農業(yè)大學博士生 鄭云霄、博士生 龔慧慧、博士生 洪祥德、博士生 李百川、博士生 白巖、已畢業(yè)碩士 陳令瑋、鄧喜真、劉天翔、中國農業(yè)科學院 陸平 研究員、劉敏軒 助理研究員、通遼市農牧科學研究所 文峰 助理研究員、山西省農科院 王倫 研究員、黑龍江省農科院種質資源所 李志江 副研究員、山西農業(yè)大學 李海 研究員、河北省農科院 李海權 研究員、全國農業(yè)技術推廣中心 張力科、馬文慧、劉春青、中國農業(yè)大學科研助理 趙海月、中國農業(yè)大學 辛蓓蓓 副教授、陳建 副教授、鄂立柱 副教授在黍稷資源收集方面和基因型分析方面做出了重要貢獻。賴錦盛 教授在該研究的實驗設計和分析提供了重要幫助和指導。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃 （2021YFD1200701）、國家自然科學基金委 （32271541, 32272143）、科技創(chuàng)新2030 （2022ZD04020），種質遺傳改良 （2022ZD04020, 2022010202, B21HJ0509）、基本科研業(yè)務費 （2023TC019）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助 （2023TC019） 等項目的資助，通州于家務國際種業(yè)園區(qū)教授工作站給予了大力支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01718-6#Sec2
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