​Nature Genetics∣刁现民团队解码谷子高质量图基因组，开启谷子遗传育种研究新篇章

谷子是世界上最古老的驯化作物之一，也是我国农耕文明形成的主体作物。在高水肥农业生产系统之前，谷子长期占据主粮地位。随着小麦水稻“绿色革命”的兴起，谷子作为主粮的优势被逐步削弱。然而，随着近年来对气候环境变化、农业可持续性和粮食安全的挑战，其耐旱、耐瘠薄、C4高光效、适应性强和养分利用效率高等显著特征，再次引起越来越多的关注。同时，谷子和其野生种（青狗尾草）正被迅速发展为禾谷类作物的模式作物。但其群体进化、基因组结构多态性、环境适应性、驯化改良特性等系统性基础研究的缺乏，使其在科学研究和粮食安全中的作用被严重低估，也制约了谷子模式植物体系和遗传育种的发展。

2023年6月8日，国际权威期刊Nature Genetics 《自然·遗传学》在线发表了中国农业科学院作物科学研究所刁现民团队完成的题为A graph-based genome and pan-genome variation of the model plant Setaria的研究成果。该研究从头组装了110个谷子和狗尾草高质量基因组，绘制了首个狗尾草属变异图谱，构建了首个杂粮作物高质量图基因组，鉴定出多个谷子驯化、育种改良相关的位点及关键基因，系统解析了谷子驯化改良的遗传基础以及图基因组在遗传及育种应用中的作用，为作物快速育种提供了重要参考，得到多位院士专家点评。

研究团队收集了1844份谷子及其野生种质资源的基本信息，利用深度重测序对谷子进化进行了群体遗传分析。研究结果拓展了谷子资源亚群分类系统，首次发现狗尾草驯化成春、夏谷亚群之前，形成有一个更为古老的亚群（C3）。核实了谷子单起源的理论，为中国起源中心提供了理论基础。在谷子资源遗传多样性分析基础上，本研究选择了110份具有代表性的微核心种质，利用PacBio、Illumina和Bionano测序技术，de novo组装了110个基因组，构建了狗尾草属目前最为完整的泛基因组图谱。通过比较基因组分析，构建了狗尾草属最高质量的变异图谱。这些数据为谷子生物学研究提供了基因组学基础，极大的拓展了育种研究中可用遗传变异和基因资源。

利用113份微核心种质构建的高质量变异图谱，进一步鉴定出4000余个与谷子驯化及育种改良相关的结构变异，发现了680个在驯化改良中持续被选择的基因，这些基因主要富集在与生殖、光周期、色素及氮利用等生物过程。谷类作物驯化改良过程中存在如落粒性丢失、生物量增加、生育期变长、产量提高等“驯化综合征”现象。研究进一步结合比较基因组分析、遗传定位和基因功能验证，鉴定到谷子落粒性驯化的关键基因Sh1和谷子粒重及籽粒大小驯化的关键基因SiGW3，为谷子的驯化及育种改良奠定了理论基础。

基因组及泛基因组研究如何更有效应用于育种实践是大家关注的问题。本研究利用图基因组对1844份谷子种质资源进行包括SV和SNP的高质量基因型鉴定，形成谷子图基因组数据库。同时，结合团队11年积累的226组高质量表型数据，利用SNP-和SV-GWAS方法共发现了1,084个与表型显著关联的信号，这对谷子分子标记辅助育种及基因克隆具有重要推动作用。此外，研究团队创新性地利用SNP-和SV-GS进行了全基因组选择分析，发现引入SV可以使73.9%的表型的预测精度提升最高可达12.6%。同时，对每组表型分别筛选了大约1000个高效应遗传标记（SNP/SV位点），建立了最优基于图基因组的谷子全基因组选择育种方法。这对未来的谷子分子育种选择具有重要意义，同时也为其他作物精准育种选择提供了重要参考。

中国科学院李家洋、韩斌、钱前院士，中国工程院刘旭、万建民院士等对该成果做出了高度评价。专家一致认为，该研究成果通过高质量图基因组等前沿技术的应用，快速有效完成了种质资源大规模的挖掘利用，进一步解析和利用好该研究获取的大量重要基因组位点，将有助于谷子遗传和育种研究水平的大幅提升。该研究的思路和方法对其他作物研究有重要借鉴价值，对提高我国作物种质资源的有效利用，保障国家粮食安全意义重大。

中国农业科学院作物科学研究所刁现民研究员、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。中国农业大学赖锦盛教授、中山大学史俊鹏副教授，中国农科院作科所贾继增研究员、杨平研究员为该研究提出了重要指导。该研究得到了国家重点研发计划（2021YFF1000100、2019YFD1000700、2018YFD1000700）、国家现代农业产业技术体系（CARS-06）、国家自然科学基金（31871692、31871630）和中国农业科学院创新工程等项目的资助。

原文链接：

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

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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