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大豆基因組研究取得重大進展

  基因組學是生命科學研究的核心基礎。傳統的基因組學研究是將不同堿基以線性的形式存儲于染色體上,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不同個體的遺傳變異情況,這極大地限制了不同個體遺傳變異的鑒定和分析。構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爲當前基因組學研究的重要任務和前沿挑戰。2020617日,国际权威学术期刊《细胞》在线发表了中國科學院遗传与发育生物学研究所田志喜等科研团队关于大豆泛基因组的最新研究进展。该项成果突破传统线性基因组的存储形式,在植物中首次实现了基于图形结构基因组 (graph-based genome) 的构建,将引领全新的下一代基因组学研究思路和方法,被审稿人称为“基因组学的里程碑工作”,是中國科學院种子创新研究院建立后取得的又一重大研究突破。 

 

  大豆馴化起源于中國,隨後廣泛傳播于世界各地,爲人類提供了主要的植物油料和蛋白資源,是重要的糧食經濟作物。我國大豆需求量大,而消費對外依賴嚴重。因此,加強大豆研究,提高大豆生産能力迫在眉睫。高質量參考基因組是作物育種基礎研究和應用研究的前提基礎。前期,田志喜科研團隊完成了曾獲國家科技進步獎一等獎的大豆品種中黃13”黃金版大豆參考基因組的組裝和注釋 (Shen et al., Science China Life Sciences, 2018; Shen et al., Science China Life Sciences, 2019)。然而,田志喜研究團隊在對大豆種質資源的深度重測序和群體遺傳學分析中發現,不同大豆種質資源之間存在較大的遺傳變異,單一或少數基因組不能代表大豆群體的所有遺傳變異(Zhou et al., Nature Biotechnology, 2015 Fang et al., Genome Biology, 2017)。大豆基礎研究和分子設計育種亟需能夠代表不同大豆種質材料的全新基因組資源。 

 

  爲此,田志喜研究團隊聯合中科院遺傳發育所梁承志和朱保葛研究團隊、中科院分子植物科學卓越創新中心韓斌院士團隊、上海師範大學黃學輝教授團隊以及北京貝瑞和康生物技術有限公司相關人員,對來自世界大豆主産國的2898個大豆種質材料進行了深度重測序和群體結構分析,精心挑選出26個最具代表性的大豆種質材料,包括3個野生大豆,9個農家種和14個現代栽培品種。研究團隊利用最新組裝策略,對26個大豆種質材料進行了高質量的基因組從頭組裝和精確注釋,contig N50平均長度達22.6 Mb, scaffold N50 平均長度達 51.2 Mb。在此基础上,结合已经发表的中黃13Williams 82 W05 基因組,開展了系統的基因組比較,構建了高質量的基于圖形結構泛基因組,挖掘到大量利用傳統基因組不能鑒定到的大片段結構變異。經深入分析發現,結構變異在重要農藝性狀調控中發揮重要作用:例如,HPS基因的結構變異調控大豆種皮亮度變化;野生與栽培大豆CHS基因簇的結構變異是導致種皮顔色由黑色向黃色馴化的主要原因SoyZH13_14G179600基因結構變異導致了其在不同種質材料中基因表達的差異,可能與調控大豆缺鐵失綠症有關。此外,研究還鑒定到15個結構變異導致了不同基因間的融合,這爲新基因的産生研究提供了重要線索。此高質量圖形結構泛基因組的構建不僅本身具有重要的理論意義和應用價值,同時爲過去已經開展的大量重測序數據提供了一個全新的分析平台,將使得這些數據獲得“第二次生命”。 

 

  圖:大豆圖形結構泛基因組分析(Liu et al., Cell, 2020 

    

  上世紀60年代,以降低農作物株高、半矮化育種爲特征的第一次綠色革命,使得全世界水稻和小麥産量翻了一番,解決了溫飽問題。綠色革命是近現代史上最重要的農業曆史事件之一。然而在過去的60年裏,大豆平均單産相對其他主糧作物而言尚無明顯突破,大豆生産亟需綠色革命。本次泛基因組研究所選用的大豆種質材料不僅在遺傳多樣性上具有代表性,且具有重要的育種和生産價值。其中滿倉金、十勝長葉、紫花4號等種質材料作爲骨幹核心親本已各自培育出了上百個優良新品種;黑河43、齊黃34、豫豆22、皖豆28、晉豆23、徐豆1號等品種都是各個大豆主産區推廣面積最大的主栽品種。該基因組和相關的2898份种质材料遗传变异的发布为大豆研究提供了极为重要的资源和平台,将大力推进大豆分子设计育种,助力实现大豆“綠色革命”。 

 

  相關研究結果在線發表于《細胞》雜志,題目爲“Pan-genome of wild and cultivated soybeans”DOI:10.1016/j.cell.2020.05.023)。田志喜研究组的博士生刘羽诚、梁承志研究组的博士生杜会龙为该论文的第一作者,田志喜研究员为论文通讯作者,梁承志研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委和中國科學院的资助。