6月8日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所特色農(nóng)作物優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團(tuán)隊(duì)，通過對(duì)谷子種質(zhì)資源的基因組變異和群體結(jié)構(gòu)分析，組裝了谷子第一個(gè)高質(zhì)量圖基因組，系統(tǒng)闡明了谷子起源及馴化改良的過程，為“谷子起源于中國(guó)”的單起源假說(shuō)提供了群體遺傳學(xué)證據(jù)；對(duì)谷子及其野生種青狗尾草的1844份核心種質(zhì)資源進(jìn)行深入分析，發(fā)掘了1084個(gè)重要性狀相關(guān)位點(diǎn)和基因，創(chuàng)制了谷子圖基因組精準(zhǔn)高效育種方法，為培育突破性品種提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·遺傳學(xué)（Nature Genetics）》上。

 

　　谷子是我國(guó)起源的古老作物，隸屬禾本科狗尾草屬，至今仍是旱作農(nóng)業(yè)的主栽作物，更是應(yīng)對(duì)氣候變化和干旱環(huán)境的戰(zhàn)略儲(chǔ)備作物。其籽粒小米營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，深受人們喜愛。由于谷子屬于碳四（C4）光合作物和易于實(shí)驗(yàn)室操作等特點(diǎn)，其作為功能基因研究的模式植物近年來(lái)也備受國(guó)際關(guān)注。作物種質(zhì)資源是優(yōu)異基因的載體，對(duì)種質(zhì)資源基因組變異的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)和表型性狀的精準(zhǔn)鑒定有利于其中優(yōu)異基因的發(fā)掘和利用。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)谷子野生種、農(nóng)家品種和現(xiàn)代育成品種等1844份核心種質(zhì)資源群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)解析，從群體遺傳角度證實(shí)谷子單起源假說(shuō)--全世界的谷子均來(lái)自中國(guó)。本研究從頭組裝了110個(gè)代表性谷子和狗尾草高質(zhì)量基因組，繪制了首個(gè)狗尾草屬基因組變異圖譜，構(gòu)建了首個(gè)雜糧和C4作物高質(zhì)量圖基因組，認(rèn)識(shí)了谷子資源變異的基本情況，系統(tǒng)解析了谷子馴化和改良過程中基因組變異。同時(shí)，歷時(shí)10年在13個(gè)地理環(huán)境下對(duì)680份資源進(jìn)行了68個(gè)性狀的表型調(diào)查，形成了226組群體表型數(shù)據(jù)和表型組數(shù)據(jù)庫(kù)；將基因組變異和表型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，發(fā)掘出1,084個(gè)與表型顯著關(guān)聯(lián)的重要性狀相關(guān)位點(diǎn)，如控制產(chǎn)量性狀的SiGW3等。此外，研究還建立了基于谷子圖基因組的最優(yōu)預(yù)測(cè)模型和全基因組選擇育種方法，該方法可加速作物遺傳研究并使谷子表型預(yù)測(cè)精度最高提升12.6%。本研究構(gòu)建的谷子基因組變異圖譜、多環(huán)境多性狀表型組、以及批量發(fā)掘的重要性狀控制位點(diǎn)和基因，為谷子模式植物體系發(fā)展等基礎(chǔ)研究和資源利用提供了重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為作物種質(zhì)資源挖掘利用提供了重要參考。

 

　　本研究得到多位院士的高度評(píng)價(jià)。

 

　　中國(guó)科學(xué)院李家洋院士指出，本研究發(fā)現(xiàn)圖基因組對(duì)功能基因發(fā)掘有其獨(dú)特意義，這對(duì)未來(lái)育種應(yīng)用有特殊的重要性。這一工作不僅是谷子研究的又一次“里程碑”式工作，也是對(duì)“小作物-大作為”的最好詮釋。

 

　　中國(guó)工程院院士劉旭表示，該研究探索了利用現(xiàn)有資源提高谷子產(chǎn)量及品質(zhì)的基因組選擇方法。相關(guān)研究結(jié)果加深了我們對(duì)種質(zhì)資源的認(rèn)識(shí)和理解，將對(duì)谷子生物學(xué)基礎(chǔ)研究及資源系統(tǒng)利用起到重要促進(jìn)作用。

 

　　中國(guó)科學(xué)院韓斌院士認(rèn)為，該研究不僅是谷子也是作物領(lǐng)域中“泛基因組-數(shù)量遺傳-育種”的經(jīng)典之作，對(duì)未來(lái)作物遺傳改良具有重要指導(dǎo)意義。

 

　　中國(guó)工程院院士萬(wàn)建民認(rèn)為，該研究發(fā)掘的持續(xù)選擇基因和性狀關(guān)聯(lián)位點(diǎn)對(duì)谷子重要性狀遺傳解析及標(biāo)記輔助育種至關(guān)重要。同時(shí)，在多作物平行馴化越來(lái)越明晰的情況下，相關(guān)研究結(jié)果也對(duì)其他作物重要性狀的遺傳解析提供了重要參考。

 

　　中國(guó)科學(xué)院錢前院士認(rèn)為，該工作成功破解了谷子基因資源的“天書”，讓我們更清晰看到基因組結(jié)果變異對(duì)基因發(fā)掘的重要性，使我國(guó)保持了谷子基礎(chǔ)和育種研究的國(guó)際領(lǐng)先地位。

 

　　作科所刁現(xiàn)民研究員、紐約大學(xué)基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)研究中心Michael Purugganan教授和作科所賈冠清研究員為該論文共同通訊作者。作科所博士后賀強(qiáng)、副研究員湯沙，研究員智慧，以及中科院動(dòng)物所陳金鋒研究員為該論文共同第一作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助。

 

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