四川日?qǐng)?bào) 2022年07月20日
首次繪出裸燕麥“基因密碼圖”
●該項(xiàng)研究將加速栽培燕麥的遺傳改良和分子設(shè)計(jì)育種，對(duì)培育優(yōu)良燕麥品種、提升燕麥產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、保障糧食安全將產(chǎn)生重要作用
●這項(xiàng)研究全部由中國(guó)人完成。“深入研究中國(guó)特有的燕麥種質(zhì)資源，就是希望牢牢把種質(zhì)資源握在我們自己手里，讓燕麥品種裝上更多‘中國(guó)芯’。”
□楊雯四川日?qǐng)?bào)全媒體記者 江蕓涵 史曉露
7月18日23時(shí)許，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(duì)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(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》在線發(fā)表。同時(shí)，期刊還特別邀請(qǐng)論文作者撰寫研究簡(jiǎn)報(bào)《栽培燕麥的起源與進(jìn)化》，對(duì)成果進(jìn)行了推介。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所教授魏育明為共同通訊作者。
該項(xiàng)研究首次破譯六倍體栽培裸燕麥的基因組，并深入研究了六倍體燕麥的起源與亞基因組進(jìn)化，繪制出燕麥的“基因密碼圖”。審稿人評(píng)價(jià)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(xiàng)研究將加速栽培燕麥的遺傳改良和分子設(shè)計(jì)育種，對(duì)培育優(yōu)良燕麥品種、提升燕麥產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、保障糧食安全將產(chǎn)生重要作用。
“有了基因組圖譜，我國(guó)裸燕麥的育種和遺傳研究就會(huì)進(jìn)入快車道。”
解碼燕麥的“中國(guó)芯”，助力育種和遺傳研究
論文第一作者和共同通訊作者彭遠(yuǎn)英告訴記者，燕麥分為帶稃型（皮燕麥）和裸粒型（裸燕麥）兩大類，裸燕麥起源于中國(guó)。
相比于皮燕麥，裸燕麥加工更加簡(jiǎn)單，我國(guó)主要種植的是裸燕麥，主產(chǎn)區(qū)集中在內(nèi)蒙古、河北、山西等地，云、貴、川、藏有小面積的種植。“裸燕麥加工工藝更加簡(jiǎn)單，具有更高的蛋白質(zhì)和粗脂肪含量，且氨基酸組成更加平衡，極具研究?jī)r(jià)值。”彭遠(yuǎn)英說。
此次發(fā)表的成果，以我國(guó)裸燕麥起源中心的地方裸燕麥品種“三分三”為材料，通過研究繪制出燕麥基因組21對(duì)染色體的分子圖譜，注釋出12萬個(gè)蛋白編碼基因。該研究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(guó)作為六倍體栽培裸燕麥的起源和主要種植中心，我們需要通過明確我國(guó)特有的裸燕麥基因組信息，進(jìn)一步挖掘以裸粒馴化性狀為代表的基因資源。”彭遠(yuǎn)英表示，“有了基因組圖譜，我國(guó)裸燕麥的育種和遺傳研究就會(huì)進(jìn)入快車道。”
彭遠(yuǎn)英進(jìn)一步解釋，這就像破解其他作物的基因密碼一樣，我們以后就能根據(jù)基因信息來定向培育具有特定性狀、功能的裸燕麥。比如，提升品種抗病性；控制種子大小，增加產(chǎn)量；讓其中β-葡聚糖含量更高，以幫助食用者通過攝入膳食纖維有效控制膽固醇和糖尿病。
“整個(gè)測(cè)序的原始數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，我們用了20個(gè)5T的硬盤。”
研究難度大，全部由中國(guó)人完成
《基于參考基因組揭示六倍體燕麥的起源和進(jìn)化》這項(xiàng)研究于2018年啟動(dòng)，由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)和吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合中國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院和武漢希望組生物科技有限公司合作完成。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位，研究團(tuán)隊(duì)由國(guó)家燕麥?zhǔn)w麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家、吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)任長(zhǎng)忠領(lǐng)銜。
六倍體栽培裸燕麥基因組龐大而復(fù)雜，體量約為水稻基因組的40倍，且有大約87%的基因組DNA為重復(fù)序列，致使其基因組測(cè)序組裝研究非常困難。可以說，六倍體燕麥參考基因組是迄今為止科學(xué)家測(cè)序的所有物種中最復(fù)雜的基因組之一。“雖然基因組研究主要在實(shí)驗(yàn)室完成，但數(shù)據(jù)量非常大。整個(gè)測(cè)序的原始數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，我們用了20個(gè)5T的硬盤。常規(guī)分析跑完一輪就需要2個(gè)月。”
針對(duì)六倍體燕麥亞基因組構(gòu)成及其高重復(fù)序列含量導(dǎo)致的在基因組裝中可能遇到的問題，科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了選用可進(jìn)行更長(zhǎng)DNA片段高精確度測(cè)序的超長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)，并利用近20年的燕麥屬物種研究經(jīng)驗(yàn)積累，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(cè)序、全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等不同技術(shù)手段，最終完成了中國(guó)裸燕麥的染色體組裝、掛載和注釋，獲得裸燕麥的高質(zhì)量參考基因組。
令研究團(tuán)隊(duì)最驕傲的是，這項(xiàng)研究全部由中國(guó)人完成。“深入研究中國(guó)特有的燕麥種質(zhì)資源，就是希望牢牢把種質(zhì)資源握在我們自己手里，讓燕麥品種裝上更多‘中國(guó)芯’。”彭遠(yuǎn)英說。
同步播報(bào)
燕麥和小麥一樣，也適合在四川廣泛種植
研究發(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(shí)代，現(xiàn)在廣泛種植和食用的六倍體栽培燕麥就通過AA基因組二倍體和CCDD基因組四倍體雜交加倍形成了。彭遠(yuǎn)英表示，深入了解燕麥的進(jìn)化歷史，將有力推動(dòng)燕麥優(yōu)良品種的選育工作。此外，燕麥參考基因組的構(gòu)建作為燕麥研究邁入基因組時(shí)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。
接下來，該研究團(tuán)隊(duì)還將在已有基礎(chǔ)上深入開展燕麥起源、馴化和優(yōu)異基因資源發(fā)掘與利用等研究工作，期望研究結(jié)果能進(jìn)一步推動(dòng)燕麥的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和育種。
“燕麥的抗逆性和適應(yīng)性很強(qiáng)，為了不與其他糧食作物爭(zhēng)地，目前主要種植在高海拔或土壤相對(duì)貧瘠的地區(qū)。其實(shí)，燕麥和小麥一樣，也適合在四川廣泛種植。”彭遠(yuǎn)英認(rèn)為，四川種植燕麥有自己的優(yōu)勢(shì)，可以種植兩季，成都平原和其他平壩區(qū)可以在10月份播種，來年4、5月份收獲，高寒山區(qū)可以3、4月份播種，當(dāng)年秋季收獲。此外，四川弱光照的條件更適合燕麥飼草的生長(zhǎng)，未來可在西南地區(qū)飼草燕麥的發(fā)展上多下功夫。
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