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重磅|福建农林大学甘蔗基因组研究取得重大突破

PostTime:2018-10-8 22:14 阅读人数:655
      基因组与生物技术研究中心明瑞光教授团队经过五年多的努力,在国际上首次破译甘蔗基因组,并解析甘蔗野生种“割手密”中一系列的生物学问题。研究结果题为“Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L.”于2018年10月8号在国际学术权威刊物《自然·遗传学》(Nature Genetics)上在线发表,该研究成果具有重要的社会效应和科学意义,也奠定了我国甘蔗基础生物学研究的国际领先地位。   

      甘蔗是世界性的大宗农作物,是基因组最为复杂的作物之一。甘蔗也是世界上最重要的糖和生物燃料作物,生产80%的糖和40%的生物燃料,是单产生物量最大的作物,也是发现C4光合作用途径和研究同源多倍体遗传的模式植物。甘蔗是世界性的大宗农产品,农业直接产值排名世界第五,在90多个国家种植,总面积约为2600万公顷,每年收获18亿3000万公吨,总产值接近570亿美元。我国是全世界第三大甘蔗生产国,根据全国糖业信息中心最新数据,2018/19年度全国种植甘蔗128万公顷,产量为7700万公吨,农业直接年产值约385亿人民币。由于甘蔗经济价值重大,近十多年来,国际上很多国家都在积极开展甘蔗基因组的研究,如巴西、法国、泰国,但由于受复杂的大基因组、高多倍体以及同源异源杂交品种等因素限制,均未获得突破性进展。

Figure 1. Alignment of S. spontaneum AP85-441 chromosomes with sorghum chromosomes.    

      甘蔗野生种“割手密”为现代栽培杂交种提供了病虫害和逆境的抗性基因,约占了甘蔗杂交种基因组的15%。应用目前最先进的第三代测序技术加上物理图谱,将甘蔗野生种“割手密”四倍体基因组被组装到了32条染色体上,其染色体基数比亲缘关系较近的高粱和玉米少了两条,为8条。通过基因组内部比较分析,证实了野生种“割手密”是同源多倍体,并且发生了两次间隔较短的全基因组复制事件。同源多倍体基因组拼接组装是世界性难题,项目组发明的新算法填补了这项空白。这是第一次把同源多倍体基因组里面的基因注释到了等位基因,达到了最高的分辨率。通过比较野生种“割手密”和高粱的同源染色体,发现“割手密”的两条祖先染色体从中间断裂,产生的四个染色体臂分别加到了四条染色体的末端,完成了染色体基数从10条减为8条的演化。这四个转移的染色体臂占了整个基因组的20%,却含有40%的抗性基因,解析了为什么野生种“割手密”是甘蔗育种中最好的抗性基因来源的生物学基础。群体基因组学分析揭示了这些重组区域的平衡选择维持了这些重要区域的多样性。C4光合作用途径具有高光效,最早在甘蔗中发现,通过对全基因组光合作用相关基因的分析,明确了甘蔗C4光合作用的具体类型。糖分积累是甘蔗最重要的生物学问题之一,糖转运蛋白基因家族的串联复制和扩张是甘蔗属高糖含量的基因组学基础;通过比较巴西杂交种SP80-3280基因组与“割手密”基因组,发现整合进杂交种的“割手密”基因组随机分布在整个“割手密”参考基因组中,说明在不同的“割手密”材料中同源染色体发生了随机交换,为“割手密”是同源多倍体提供了另一条直接证据。  

Figure 2. S. spontaneum evolutionary history.    

      甘蔗野生种“割手密”种基因组破译是甘蔗基础生物学研究的一个里程碑。在此基础上,揭示了野生种“割手密”种的基因组演化、抗逆性来源、高糖以及自然群体演化的遗传学基础,这些研究将促进甘蔗分子生物学的快速进展,使甘蔗实施分子育种策略成为可能,从而加快甘蔗品种改良和产业发展。    

Figure 3. Distribution of genomic features along the sugarcane monoploid genome.    

      福建农林大学基因组中心张积森教授、张兴坦副教授、唐海宝教授、博士生张清为该论文的共同第一作者,明瑞光教授、张积森教授为共同通讯作者,福建农林大学为第一作者单位。    

      福建农林大学是国家甘蔗产业技术研发中心、国家甘蔗改良中心、农业部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室、农业部甘蔗及制品质量监督检验测试中心、福建省甘蔗工程技术中心等甘蔗领域国家和部级技术平台的依托单位。学校前期在甘蔗领域获得国家科技进步奖一等奖,是我国甘蔗研究领头单位。

      文章在线地址:https://www.nature.com/ng/

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