中科院遺傳發(fā)育所完成首個植物圖形結構基因組，助力大豆“綠色革命”
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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)濟作物。隨著世界人口增加和飲食結構的改變，全球對大豆的需求逐年增加。尤其對于我國，大豆需求量大。然而，我國大豆消費對外依賴嚴重。加強大豆研究，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”。
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所田志喜研究團隊長期從事大豆功能基因組研究，致力于通過多組學聯(lián)合的方法，解析影響重要農(nóng)藝性狀的網(wǎng)絡調(diào)控系統(tǒng)，培育高產(chǎn)優(yōu)質大豆新品種。該課題組于2020年在Molecular Plant撰寫題為Toward a 'Green Revolution' for Soybean 的觀點性文章（Liu et al., 2020），對作物育種歷史和主糧作物的“綠色革命”歷程進行了簡單回顧，綜合分析和比較了大豆與其他主糧作物在產(chǎn)量構成因素的關鍵差異，重點討論了未來實現(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。
對于一個物種而言，高質量參考基因組是基礎和應用研究的重要前提。目前，大豆研究廣泛采用的參考基因組是由美國科學家領銜完成的，來源于一個美國品種─Williams 82。在功能研究中發(fā)現(xiàn)，該參考基因組存在一定數(shù)量的組裝錯誤，影響了大豆功能基因組的發(fā)展。2018年田志喜研究員領銜國內(nèi)多家單位完成了曾獲國家進步一等獎的大豆品種——“中黃13”的基因組組裝和注釋 (Shen et al., 2018)。2019年，研究團隊又采用更為精準的組裝方法，進一步對其組裝進行了優(yōu)化，構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，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，田志喜研究員領銜科研團隊，通過對302份大豆種質資源的深度重測序，對大豆在馴化和改良中的遺傳變異演化規(guī)律進行了研究，鑒定到大量重要的基因組選擇位點，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，同時發(fā)現(xiàn)不同大豆種質資源之間存在較大的遺傳變異（Zhou et al., 2015）。這就導致單一或少數(shù)基因組不能完全代表一個物種所有的遺傳變異。
在原有研究基礎上，田志喜研究員團隊聯(lián)合中科院遺傳發(fā)育所梁承志和朱保葛團隊、中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心韓斌院士團隊、上海師范大學黃學輝教授團隊和北京貝瑞和康生物技術有限公司相關人員，首先對來自世界大豆主產(chǎn)國的2898個大豆自然種質資源進行了深度重測序和群體結構分析，進而精心挑選出26個最具代表性的大豆種質材料。該26個種質包括3個野生大豆，9個農(nóng)家種和14個現(xiàn)代栽培品種，其中一些材料作為骨干核心親本已經(jīng)培育了上百個優(yōu)良新品種，一些材料是各個大豆主產(chǎn)區(qū)推廣面積最大的主栽品種。研究團隊利用最新組裝策略，對該26個大豆種質進行了基因組的重頭組裝和精確注釋。在此基礎上，結合已經(jīng)發(fā)表的中黃13、Williams 82 和 W05 基因組，構建了高質量的基于圖形結構的基因組，經(jīng)過泛基因組分析，挖掘到大量的大片段結構變異。深入分析發(fā)現(xiàn)，有些結構變異導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；一些結構變異在重要農(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。
該大豆圖形結構泛基因組是植物中首個報道的圖形結構基因組，該基因組和相關的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，將大力推進大豆分子設計育種，助力實現(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基金、中國科學院A類戰(zhàn)略性先導科技專項、中科院重點部署和國際合作項目的資助。
