中科院遺傳發(fā)育所完成首個(gè)植物圖形結(jié)構(gòu)基因組，助力大豆“綠色革命”
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大豆起源于中國(guó)，古稱“菽”，約在5000年前左右由野生大豆馴化而來(lái)，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(guó)，大豆需求量大。然而，我國(guó)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?！熬G色革命”是近代史上最重要的農(nóng)業(yè)歷史事件之一。在過(guò)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(wú)明顯突破，大豆生產(chǎn)亟需“綠色革命”。
中國(guó)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(zhǎng)期從事大豆功能基因組研究，致力于通過(guò)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(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)大豆“綠色革命”的可能研究方向和途徑。以期通過(guò)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(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜完成的，來(lái)源于一個(gè)美國(guó)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(guó)內(nèi)多家單位完成了曾獲國(guó)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(guó)向世界各地的引種過(guò)程中產(chǎn)生了諸多遺傳瓶頸效應(yīng)，使得來(lái)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(guò)對(duì)302份大豆種質(zhì)資源的深度重測(cè)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(guò)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(lái)自世界大豆主產(chǎn)國(guó)的2898個(gè)大豆自然種質(zhì)資源進(jìn)行了深度重測(cè)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(guò)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。
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(chéng)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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)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(guó)際合作項(xiàng)目的資助。
