2022-07-27 20:20:23
7月18日，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所彭遠(yuǎn)英教授研究團(tuán)隊的論文《基于參考基因組揭示六倍體燕麥的起源和進(jìn)化》在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上在線發(fā)表，小麥所魏育明教授為共同通訊作者。該項研究首次破譯六倍體栽培裸燕麥的基因組，繪制出燕麥的“基因密碼圖”。審稿人評價這一研究“代表了植物基因組學(xué)特別是谷物基因組學(xué)的重大進(jìn)展”。該項研究將加速栽培燕麥的遺傳改良和分子設(shè)計育種，對培育優(yōu)良燕麥品種、提升燕麥產(chǎn)業(yè)競爭力、保障糧食安全將產(chǎn)生重要作用。
燕麥進(jìn)化歷史
解碼燕麥的“中國芯”
燕麥作為營養(yǎng)價值很高的糧、飼兼用型作物而在全球得到青睞，隨著人們對營養(yǎng)與保健需求的提高，它已成為一種重要的谷物。近年來，我國燕麥產(chǎn)業(yè)以年產(chǎn)值20%以上的增速快速發(fā)展，2021年僅燕麥籽粒消費量已接近100萬噸，燕麥干飼草量約為300萬噸。
目前，燕麥廣泛分布在五大洲42個國家。世界各國的栽培種以皮燕麥為主，而我國主要種植裸燕麥。相比之下，裸燕麥加工工藝更加簡單，具有更高的蛋白和粗脂肪含量，且氨基酸組成更加平衡，極具研究價值。
中國作為裸燕麥的起源和種植中心，具有豐富的裸燕麥遺傳多樣性。此次發(fā)表的成果正是以我國地方裸燕麥品種“三分三”為研究材料，繪制出了燕麥基因組21對染色體的分子圖譜，注釋出了12萬個蛋白編碼基因，為科研人員解析燕麥基因組進(jìn)化和馴化提供了高質(zhì)量的基因組信息和全新視角。
“中國作為六倍體栽培裸燕麥的起源和種植中心，我們需要明確我國特有的裸燕麥基因組信息以進(jìn)一步挖掘基因資源?！闭撐牡谝缓凸餐ㄓ嵶髡?、四川農(nóng)大小麥研究所彭遠(yuǎn)英教授表示：“有了基因組圖譜，我國裸燕麥的育種和遺傳研究就會進(jìn)入快車道?！?/p>
據(jù)了解，該研究論文在國家燕麥?zhǔn)w麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和國家自然科學(xué)基金的支持下，由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、四川大學(xué)、西昌學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院和武漢希望組生物科技有限公司共同合作完成。
“這項研究全部由中國人自己完成，牢牢把種質(zhì)資源握在我們自己手里，讓燕麥品種裝上更多‘中國芯’?！迸磉h(yuǎn)英說。
“千呼萬喚始出來”的裸燕麥參考基因組
早在新世紀(jì)伊始，科學(xué)家們就將基因組測序的目標(biāo)鎖定到農(nóng)作物身上。2002年水稻基因組圖譜便已發(fā)表，此后玉米、馬鈴薯、大豆、小麥等眾多主要農(nóng)作物的基因組測序也相繼完成。時隔20年，燕麥的基因組測序結(jié)果姍姍來遲，究其原因是其研究難度極大。
現(xiàn)有的栽培燕麥在漫長進(jìn)化過程經(jīng)自然雜交和加倍，從最初二倍體最終形成由約110億個堿基對組成的六倍體，基因組龐大而復(fù)雜，體量約為水稻基因組的40倍，致使其基因組測序組裝研究非常困難，是迄今為止科學(xué)家測序的所有物種中最復(fù)雜的基因組之一。
彭遠(yuǎn)英告訴記者：“針對六倍體燕麥在研究過程中可能遇到的問題，我們設(shè)計選用了可進(jìn)行更長DNA片段高精確度測序的超長測序技術(shù)，并根據(jù)常年的研究經(jīng)驗，選擇了栽培燕麥最可能的四倍體和二倍體祖先，結(jié)合HiC、二代測序和全長轉(zhuǎn)錄組測序等不同技術(shù)手段，最終獲得了裸燕麥的高質(zhì)量參考基因組?！?/p>
人們吃的栽培燕麥誕生在50萬年前
在獲得燕麥參考基因組基礎(chǔ)上，該研究還發(fā)現(xiàn)燕麥屬物種約在800萬年前產(chǎn)生。而在約50萬年前——人類舊石器時代，現(xiàn)在廣泛種植和食用的六倍體栽培燕麥就已通過雜交形成了。
“燕麥作為六倍體作物，它在生物量、活力和對環(huán)境變化的適應(yīng)性方面均具有顯著優(yōu)勢，在應(yīng)對糧食安全挑戰(zhàn)中可以發(fā)揮其獨特作用?！迸磉h(yuǎn)英表示，深入了解燕麥的進(jìn)化歷史將極大地促進(jìn)滲透育種，并能將性狀從其最接近的野生親緣轉(zhuǎn)移到栽培燕麥中，推動燕麥優(yōu)良品種的選育。
此外，該研究根據(jù)參考基因組序列和注釋信息預(yù)測了燕麥皮裸籽粒和抗病等重要性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因位點，體現(xiàn)了參考基因組在重要性狀基因挖掘和燕麥分子育種方面的重要價值。彭遠(yuǎn)英的思考很長遠(yuǎn)：燕麥參考基因組的構(gòu)建作為燕麥研究邁入基因組時代的第一步，將使燕麥的全基因組選擇育種和精準(zhǔn)育種成為可能?！拔覀儸F(xiàn)在可以開始考慮如何使用現(xiàn)代育種策略，進(jìn)一步改進(jìn)和開發(fā)特定的燕麥品種，以滿足全球?qū)ζ淙找嬖鲩L的需求。”彭遠(yuǎn)英表示。
接下來，該團(tuán)隊還將結(jié)合原有研究優(yōu)勢，在已有基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入開展燕麥起源、馴化和優(yōu)異基因資源發(fā)掘與利用等研究工作，期望能進(jìn)一步推動燕麥的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和育種。
作者：楊雯
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