新突破！中國科學(xué)家為大豆育種改良按下加速鍵

2020年6月17日晚23時，《細胞》在線發(fā)表中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜團隊關(guān)于大豆泛基因組的研究進展。

 

該研究在植物中首次實現(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于染色體上，并且多基于一個參考基因組來獲取一個物種的基因信息。“由于一個物種中不同個體間存在遺傳變異，線性基因組不能同時體現(xiàn)不同個體的遺傳變異情況，這極大地限制了對不同個體遺傳變異的鑒定和分析。”論文通訊作者、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜說，構(gòu)建囊括一個物種所有遺傳信息的新型存儲形式的泛基因組，已成為當前基因組學(xué)研究的重要任務(wù)和前沿挑戰(zhàn)。

 

大豆馴化起源于中國，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，我國是大豆主要消費國和進口國，大豆對外依存度高。加強大豆研究，提高我國大豆產(chǎn)量，對保障糧食至關(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)。

 

“我們團隊在對大豆種質(zhì)資源的深度重測序和群體遺傳學(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。”田志喜強調(diào)。

 

與此同時，上世紀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，解決了溫飽問題。“然而，過去60年里，大豆平均單產(chǎn)相對其他主糧作物而言尚無明顯突破，大豆生產(chǎn)急需‘綠色革命’。”論文共同通訊作者、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員梁承志說。

 

突破傳統(tǒng)基因組鑒定

 

為此，研究人員對來自大豆主產(chǎn)國的2898個大豆種質(zhì)材料進行了深度重測序和群體結(jié)構(gòu)分析，挑選出26個代表性的大豆種質(zhì)材料，包括3個野生大豆、9個農(nóng)家種和14個現(xiàn)代栽培品種。研究團隊利用組裝策略，對26個大豆種質(zhì)材料進行了高質(zhì)量的基因組從頭組裝和注釋，開展了系統(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)基因組無法鑒定到的大片段結(jié)構(gòu)變異。同時，研究還鑒定出15個結(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

 

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)用價值，還為過去已經(jīng)開展的大量重測序數(shù)據(jù)提供了一個全新的分析平臺，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，將大力推進大豆分子設(shè)計育種，助力實現(xiàn)大豆“綠色革命”。

 

云南師范大學(xué)祝光濤教授認為，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)性狀的解析均達到了新高度。