新突破！中國(guó)科學(xué)家為大豆育種改良按下加速鍵

2020年6月17日晚23時(shí)，《細(xì)胞》在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜團(tuán)隊(duì)關(guān)于大豆泛基因組的研究進(jìn)展。

 

該研究在植物中首次實(shí)現(xiàn)了基于圖形結(jié)構(gòu)的基因組構(gòu)建，突破了傳統(tǒng)線性基因組的存儲(chǔ)形式，將引領(lǐng)下一代基因組學(xué)研究思路和方法，被審稿人稱為“基因組學(xué)的里程碑工作”。
 

基因組學(xué)是生命科學(xué)研究的核心和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的基因組學(xué)研究將不同堿基以線性的形式存儲(chǔ)于染色體上，并且多基于一個(gè)參考基因組來(lái)獲取一個(gè)物種的基因信息。“由于一個(gè)物種中不同個(gè)體間存在遺傳變異，線性基因組不能同時(shí)體現(xiàn)不同個(gè)體的遺傳變異情況，這極大地限制了對(duì)不同個(gè)體遺傳變異的鑒定和分析。”論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜說(shuō)，構(gòu)建囊括一個(gè)物種所有遺傳信息的新型存儲(chǔ)形式的泛基因組，已成為當(dāng)前基因組學(xué)研究的重要任務(wù)和前沿挑戰(zhàn)。

 

大豆馴化起源于中國(guó)，隨后廣泛傳播到各地，為人類提供了主要的植物油料和蛋白資源?，F(xiàn)在，我國(guó)是大豆主要消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)，大豆對(duì)外依存度高。加強(qiáng)大豆研究，提高我國(guó)大豆產(chǎn)量，對(duì)保障糧食至關(guān)重要。高質(zhì)量參考基因組是作物育種基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。

 

“我們團(tuán)隊(duì)在對(duì)大豆種質(zhì)資源的深度重測(cè)序和群體遺傳學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)，不同大豆種質(zhì)資源之間存在較大的遺傳變異，單一或少數(shù)基因組不能代表大豆群體的所有遺傳變異。大豆基礎(chǔ)研究和分子設(shè)計(jì)育種急需能夠代表不同大豆種質(zhì)材料的全新基因組資源。”田志喜強(qiáng)調(diào)。

 

與此同時(shí)，上世紀(jì)60年代，以降低農(nóng)作物株高、半矮化育種為特征的次“綠色革命”，使全水稻和小麥產(chǎn)量翻了一番，解決了溫飽問(wèn)題。“然而，過(guò)去60年里，大豆平均單產(chǎn)相對(duì)其他主糧作物而言尚無(wú)明顯突破，大豆生產(chǎn)急需‘綠色革命’。”論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員梁承志說(shuō)。

 

突破傳統(tǒng)基因組鑒定

 

為此，研究人員對(duì)來(lái)自大豆主產(chǎn)國(guó)的2898個(gè)大豆種質(zhì)材料進(jìn)行了深度重測(cè)序和群體結(jié)構(gòu)分析，挑選出26個(gè)代表性的大豆種質(zhì)材料，包括3個(gè)野生大豆、9個(gè)農(nóng)家種和14個(gè)現(xiàn)代栽培品種。研究團(tuán)隊(duì)利用組裝策略，對(duì)26個(gè)大豆種質(zhì)材料進(jìn)行了高質(zhì)量的基因組從頭組裝和注釋，開(kāi)展了系統(tǒng)的基因組比較，構(gòu)建了高質(zhì)量的基于圖形結(jié)構(gòu)的泛基因組，挖掘到大量利用傳統(tǒng)基因組無(wú)法鑒定到的大片段結(jié)構(gòu)變異。同時(shí)，研究還鑒定出15個(gè)結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致了不同基因間的融合，這為研究新基因的產(chǎn)生提供了重要線索。

 

全新數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

 

田志喜表示，構(gòu)建高質(zhì)量圖形結(jié)構(gòu)泛基因組，不僅本身具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，還為過(guò)去已經(jīng)開(kāi)展的大量重測(cè)序數(shù)據(jù)提供了一個(gè)全新的分析平臺(tái)，將使這些數(shù)據(jù)獲得“第二次生命”。本次泛基因組研究選用的大豆種質(zhì)材料不僅在遺傳多樣性上具有代表性，還具有重要的育種和生產(chǎn)價(jià)值。該泛基因組和相關(guān)2898份種質(zhì)材料遺傳變異的發(fā)布為大豆研究提供了極為重要的資源和平臺(tái)，將大力推進(jìn)大豆分子設(shè)計(jì)育種，助力實(shí)現(xiàn)大豆“綠色革命”。

 

云南師范大學(xué)祝光濤教授認(rèn)為，該研究是作物學(xué)研究領(lǐng)域群體數(shù)目最多、基因組組裝質(zhì)量的泛基因組解析，從大數(shù)據(jù)的整合到重要生物學(xué)性狀的解析均達(dá)到了新高度。