谷子高质量图基因组解密开启大规模种质资源发掘利用新篇章

　　6月8日，中国农业科学院作物科学研究所特色农作物优异种质资源发掘与创新利用团队，通过对谷子种质资源的基因组变异和群体结构分析，组装了谷子第一个高质量图基因组，系统阐明了谷子起源及驯化改良的过程，为“谷子起源于中国”的单起源假说提供了群体遗传学证据；对谷子及其野生种青狗尾草的1844份核心种质资源进行深入分析，发掘了1084个重要性状相关位点和基因，创制了谷子图基因组精准高效育种方法，为培育突破性品种提供了理论基础和技术路径。相关成果发表在《自然·遗传学（Nature Genetics）》上。

 

　　谷子是我国起源的古老作物，隶属禾本科狗尾草属，至今仍是旱作农业的主栽作物，更是应对气候变化和干旱环境的战略储备作物。其籽粒小米营养价值高，深受人们喜爱。由于谷子属于碳四（C4）光合作物和易于实验室操作等特点，其作为功能基因研究的模式植物近年来也备受国际关注。作物种质资源是优异基因的载体，对种质资源基因组变异的系统性认识和表型性状的精准鉴定有利于其中优异基因的发掘和利用。

 

　　研究团队在对谷子野生种、农家品种和现代育成品种等1844份核心种质资源群体结构进行系统解析，从群体遗传角度证实谷子单起源假说--全世界的谷子均来自中国。本研究从头组装了110个代表性谷子和狗尾草高质量基因组，绘制了首个狗尾草属基因组变异图谱，构建了首个杂粮和C4作物高质量图基因组，认识了谷子资源变异的基本情况，系统解析了谷子驯化和改良过程中基因组变异。同时，历时10年在13个地理环境下对680份资源进行了68个性状的表型调查，形成了226组群体表型数据和表型组数据库；将基因组变异和表型数据关联，发掘出1,084个与表型显著关联的重要性状相关位点，如控制产量性状的SiGW3等。此外，研究还建立了基于谷子图基因组的最优预测模型和全基因组选择育种方法，该方法可加速作物遗传研究并使谷子表型预测精度最高提升12.6%。本研究构建的谷子基因组变异图谱、多环境多性状表型组、以及批量发掘的重要性状控制位点和基因，为谷子模式植物体系发展等基础研究和资源利用提供了重要数据基础，也为作物种质资源挖掘利用提供了重要参考。

 

　　本研究得到多位院士的高度评价。

 

　　中国科学院李家洋院士指出，本研究发现图基因组对功能基因发掘有其独特意义，这对未来育种应用有特殊的重要性。这一工作不仅是谷子研究的又一次“里程碑”式工作，也是对“小作物-大作为”的最好诠释。

 

　　中国工程院院士刘旭表示，该研究探索了利用现有资源提高谷子产量及品质的基因组选择方法。相关研究结果加深了我们对种质资源的认识和理解，将对谷子生物学基础研究及资源系统利用起到重要促进作用。

 

　　中国科学院韩斌院士认为，该研究不仅是谷子也是作物领域中“泛基因组-数量遗传-育种”的经典之作，对未来作物遗传改良具有重要指导意义。

 

　　中国工程院院士万建民认为，该研究发掘的持续选择基因和性状关联位点对谷子重要性状遗传解析及标记辅助育种至关重要。同时，在多作物平行驯化越来越明晰的情况下，相关研究结果也对其他作物重要性状的遗传解析提供了重要参考。

 

　　中国科学院钱前院士认为，该工作成功破解了谷子基因资源的“天书”，让我们更清晰看到基因组结果变异对基因发掘的重要性，使我国保持了谷子基础和育种研究的国际领先地位。

 

　　作科所刁现民研究员、纽约大学基因组学和系统生物学研究中心Michael Purugganan教授和作科所贾冠清研究员为该论文共同通讯作者。作科所博士后贺强、副研究员汤沙，研究员智慧，以及中科院动物所陈金锋研究员为该论文共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家现代农业产业技术体系、国家自然科学基金和中国农业科学院创新工程等项目资助。

 

　　原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-023-01423-w

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