Cell 突破!中科院遺傳發(fā)育所田志喜領(lǐng)銜完成植物中首個(gè)圖形結(jié)構(gòu)基因組,助力實(shí)現(xiàn)大豆“綠色革命”
高質(zhì)量參考基因組是生命科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的重要前提。傳統(tǒng)的線性基因組不能展示一個(gè)群體中多態(tài)遺傳位點(diǎn)的不同等位情況,這極大地限制了功能基因組的發(fā)展,圖形結(jié)構(gòu)基因組 (graph-based pan genome) 的構(gòu)建成為功能基因組研究的新挑戰(zhàn)。2020年6月17日,國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊 Cell 發(fā)表了題為Pan-Genome of Wild and Cultivated Soybeans的論文,報(bào)道了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究員領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)關(guān)于大豆泛基因組的最新研究進(jìn)展。該項(xiàng)成果構(gòu)建了植物中首個(gè)圖形結(jié)構(gòu)基因組,為大豆研究提供了極為重要的資源和平臺(tái)。該項(xiàng)成果也是中國科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院建立后取得的又一重大突破。大豆起源于中國,古稱“菽”,約在5000年前左右由野生大豆馴化而來,隨后廣泛傳播于世界各地。大豆為人類提供了主要的植物油料和蛋白資源,已經(jīng)成為世界性的重要糧食經(jīng)濟(jì)作物。隨著世界人口增加和飲食結(jié)構(gòu)的改變,全球?qū)Υ蠖沟男枨笾鹉暝黾印S绕鋵?duì)于我國,大豆需求量大。然而,我國大豆消費(fèi)對(duì)外依賴嚴(yán)重。加強(qiáng)大豆研究,提高大豆產(chǎn)量迫在眉睫。“綠色革命”是近代史上最重要的農(nóng)業(yè)歷史事件之一。在過去的60年里,得益于“綠色革命”,水稻、小麥、玉米單產(chǎn)發(fā)生了大幅度的提高。然而,大豆平均單產(chǎn)相對(duì)其他主糧而言尚無明顯突破,大豆生產(chǎn)亟需“綠色革命”。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究團(tuán)隊(duì)長期從事大豆功能基因組研究,致力于通過多組學(xué)聯(lián)合的方法,解析影響重要農(nóng)藝性狀的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng),培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大豆新品種。該課題組于2020年在Molecular Plant撰寫題為Toward a 'Green Revolution' for Soybean 的觀點(diǎn)性文章(Liu et al., 2020),對(duì)作物育種歷史和主糧作物的“綠色革命”歷程進(jìn)行了簡單回顧,綜合分析和比較了大豆與其他主糧作物在產(chǎn)量構(gòu)成因素的關(guān)鍵差異,重點(diǎn)討論了未來實(shí)現(xiàn)大豆“綠色革命”的可能研究方向和途徑。以期通過該論述拋磚引玉引發(fā)更廣泛的討論和深入研究,為培育單產(chǎn)大幅度提高的大豆“綠色革命”新品種提供新思路。對(duì)于一個(gè)物種而言,高質(zhì)量參考基因組是基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的重要前提。目前,大豆研究廣泛采用的參考基因組是由美國科學(xué)家領(lǐng)銜完成的,來源于一個(gè)美國品種─Williams 82。在功能研究中發(fā)現(xiàn),該參考基因組存在一定數(shù)量的組裝錯(cuò)誤,影響了大豆功能基因組的發(fā)展。2018年田志喜研究員領(lǐng)銜國內(nèi)多家單位完成了曾獲國家進(jìn)步一等獎(jiǎng)的大豆品種——“中黃13”的基因組組裝和注釋 (Shen et al., 2018)。2019年,研究團(tuán)隊(duì)又采用更為精準(zhǔn)的組裝方法,進(jìn)一步對(duì)其組裝進(jìn)行了優(yōu)化,構(gòu)建了黃金版的大豆基因組 (Shen et al., 2019)。大豆在馴化、改良以及從中國向世界各地的引種過程中產(chǎn)生了諸多遺傳瓶頸效應(yīng),使得來自不同主產(chǎn)區(qū)的大豆品種間具有明顯的遺傳變異。2015年,田志喜研究員領(lǐng)銜科研團(tuán)隊(duì),通過對(duì)302份大豆種質(zhì)資源的深度重測序,對(duì)大豆在馴化和改良中的遺傳變異演化規(guī)律進(jìn)行了研究,鑒定到大量重要的基因組選擇位點(diǎn),明確了大豆在從野生大豆到栽培大豆演化過程中油份含量增加的遺傳基礎(chǔ),同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同大豆種質(zhì)資源之間存在較大的遺傳變異(Zhou et al., 2015)。這就導(dǎo)致單一或少數(shù)基因組不能完全代表一個(gè)物種所有的遺傳變異。在原有研究基礎(chǔ)上,田志喜研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院遺傳發(fā)育所梁承志和朱保葛團(tuán)隊(duì)、中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌院士團(tuán)隊(duì)、上海師范大學(xué)黃學(xué)輝教授團(tuán)隊(duì)和北京貝瑞和康生物技術(shù)有限公司相關(guān)人員,首先對(duì)來自世界大豆主產(chǎn)國的2898個(gè)大豆自然種質(zhì)資源進(jìn)行了深度重測序和群體結(jié)構(gòu)分析,進(jìn)而精心挑選出26個(gè)最具代表性的大豆種質(zhì)材料。該26個(gè)種質(zhì)包括3個(gè)野生大豆,9個(gè)農(nóng)家種和14個(gè)現(xiàn)代栽培品種,其中一些材料作為骨干核心親本已經(jīng)培育了上百個(gè)優(yōu)良新品種,一些材料是各個(gè)大豆主產(chǎn)區(qū)推廣面積最大的主栽品種。研究團(tuán)隊(duì)利用最新組裝策略,對(duì)該26個(gè)大豆種質(zhì)進(jìn)行了基因組的重頭組裝和精確注釋。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的中黃13、Williams 82 和 W05 基因組,構(gòu)建了高質(zhì)量的基于圖形結(jié)構(gòu)的基因組,經(jīng)過泛基因組分析,挖掘到大量的大片段結(jié)構(gòu)變異。深入分析發(fā)現(xiàn),有些結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致了不同基因間的融合,這為新基因的產(chǎn)生研究提供了重要線索;一些結(jié)構(gòu)變異在重要農(nóng)藝性狀調(diào)控中發(fā)揮重要作用,如種皮亮度、種皮顏色的馴化、缺鐵失綠等。圖:大豆圖形結(jié)構(gòu)泛基因組分析(Liu et al., Cell, 2020)該大豆圖形結(jié)構(gòu)泛基因組是植物中首個(gè)報(bào)道的圖形結(jié)構(gòu)基因組,該基因組和相關(guān)的2898份自然群體遺傳變異的發(fā)布為大豆研究提供了極為重要的資源和平臺(tái),將大力推進(jìn)大豆分子設(shè)計(jì)育種,助力實(shí)現(xiàn)大豆“綠色革命”。中科院遺傳發(fā)育所田志喜研究員課題組的劉羽誠博士生、梁承志課題組杜會(huì)龍博士生為該論文的第一作者,田志喜研究員為論文通訊作者,梁承志研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院重點(diǎn)部署和國際合作項(xiàng)目的資助。
1. Liu Y*, Du H*, Li P, Shen Y, Peng H, Liu S, Zhou GA, Zhang H, Liu Z, Shi M, Huang X, Li Y, Zhang M, Wang Z, Zhu B, Han B, Liang C**, and Tian Z**. 2020. Pan-genome of wild and cultivated soybeans. Cell (doi: 10.1016/j.cell.2020.05.023).2. Liu S, Zhang M, Feng F, and Tian Z**. 2020. Toward a ‘green revolution’ in soybean. Mol Plant 13: 688-6973. Shen Y*, Du H*, Liu Y, Ni L, Wang Z, Liang C**, and Tian Z**. 2019. Update soybean Zhonghuang 13 genome to a golden reference. Sci China Life Sci 62:1257-1260.4. Shen Y, Liu J, Geng H, Zhang J, Liu Y, Zhang H, Xing S, Du J**, Ma S**, and Tian Z**. 2018. De novo assembly of a Chinese soybean genome. Sci China Life Sci 61: 871-8845. Zhou Z*, Jiang Y*, Wang Z*, Gou Z*, Lyu J*, Li W*, Yu Y, Shu L, ZhaoY, Ma Y, Fang C, Shen Y, Liu T, Li C, Li Q, Wu M, Wang M, Wu Y, Dong Y, Wan W, Wang X, Ding Z, Gao Y, Xiang H, Zhu B, Lee SH, Wang W**, and Tian Z**. 2015. Resequencing 302 wild and cultivated accessions identifies genes related to domestication and improvement in soybean. Nat Biotechnol 33: 408-414論文鏈接:
http://doi.org/10.1016/j.cell.2020.05.023
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