解码裸燕麦

作者: 李晨

来源: 中国科学报

发布日期: 2022-07-19 08:57:12

中国科学家成功破译了六倍体裸燕麦的高质量基因组图谱,这一成果发表在《自然—遗传学》上。研究团队由国家燕麦荞麦产业技术体系首席科学家任长忠领衔,标志着中国在燕麦基因组研究领域的重大进展。这项研究不仅揭示了燕麦的进化历史,还为未来的育种和遗传研究奠定了基础,有助于提升国内燕麦产业的竞争力和保障粮食安全。

全部由国人完成,破译最复杂基因组。中国科学报记者李晨报道,作为一种分布于五大洲42个国家和地区的世界性栽培作物,燕麦分为皮燕麦和裸燕麦两种。其中,裸燕麦独立起源于我国并广泛种植,被国人亲切地称为“莜麦”。7月18日,《自然—遗传学》在线发表了六倍体裸燕麦高质量基因组图谱,打开了裸燕麦基因组大门。这项研究全部由中国人自己完成。

深入研究中国特有的燕麦种质资源,就是希望牢牢将种质资源握在我们自己手里,让燕麦品种装上更多“中国芯”。国家燕麦荞麦产业技术体系首席科学家、领衔该项研究的吉林省白城市农业科学院研究员任长忠说。燕麦富含蛋白质、不饱和脂肪酸以及可溶性膳食纤维,能同时满足人们对膳食营养和保健两方面的要求。相比于皮燕麦,裸燕麦加工工艺更加简单,具有更高的蛋白和粗脂肪含量,且氨基酸组成更加平衡,极具研究价值。

中国作为裸燕麦的起源和种植中心,具有独特的种质芯片竞争优势。源于中国的裸燕麦基因组测序工作应该由中国人率先完成,这对提升国内燕麦产业竞争力、保障粮食安全等都具有重要意义。但燕麦是六倍体作物,具有基因组大、重复序列含量高等特点,导致其基因组测序组装成为世界难题。在我国,任长忠领衔的团队长期从事燕麦研究,积累了丰富的经验。

尤其是近20年来,彭远英团队等一直专注研究燕麦属物种的起源与进化,为进行六倍体燕麦的基因组测序奠定了良好基础。2018年,在国家燕麦荞麦产业技术体系和国家自然科学基金等项目的支持下,四川农业大学—吉林省白城市农业科学院燕麦联合研究团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所、四川大学、西昌学院、中国农业科学院和武汉希望组生物科技有限公司等合作,正式启动裸燕麦基因组测序工作。破译复杂基因组。

现有的栽培燕麦已经在漫长的进化过程中自然杂交和加倍,从二倍体形成四倍体,最终多倍化为含有A、C、D3个基因组的六倍体。通过对“三分三”的研究,研究人员绘制出了燕麦基因组21对染色体的分子图谱,注释出了12万个蛋白编码基因,获得了裸燕麦的高质量参考基因组图谱。燕麦研究迈入基因组时代。获得高质量基因组图谱后,彭远英最想知道的就是燕麦的进化历程。

他们选择了能代表燕麦属现存所有基因组类型的物种,结合水稻、小麦等其他近缘属种,从全基因组层面解析了燕麦在主要禾谷类作物中的进化地位,以及栽培燕麦的起源和多倍化历史。结果发现,燕麦族和小麦族之间的分化发生在稻族形成之后,且燕麦族与多花黑麦草的亲缘关系比燕麦族与小麦族的关系更近。燕麦属物种约在800万年前产生。

而在约50万年前,也就是人类旧石器时代,六倍体栽培燕麦通过AA基因组二倍体和CCDD基因组四倍体杂交加倍形成。有了基因组图谱,我国裸燕麦的育种和遗传研究就会进入快车道。我们以后就能根据基因信息来定向培育具有特定性状、功能的裸燕麦,比如提升品种抗病性;控制种子大小,增加产量;或者使其β—葡聚糖含量更高,帮助食用者通过摄入膳食纤维有效控制胆固醇和糖尿病。

燕麦在生长中受到病害的威胁,其中最严重的是冠锈病。该团队在六倍体燕麦的3个亚基因组中鉴定了1269个抗性基因。大多数抗性基因在染色体端部成簇出现,且与燕麦已知的冠锈病基因区段共定位,表明该研究构建的燕麦参考基因组可为燕麦抗病基因的定位和克隆提供有效参考。他们还对659份来源地不同的栽培燕麦进行了全基因组关联分析,发现了一个控制燕麦籽粒皮裸性状的候选基因。

研究团队认为,燕麦参考基因组的构建作为燕麦研究迈入基因组时代的第一步,将使燕麦的全基因组选择育种和精准育种成为可能。接下来,该团队还将结合原有研究优势,在已有基础上进一步深入开展燕麦起源、驯化和优异基因资源发掘与利用等研究工作。

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