燕麦研究里程碑式突破!四川农大解码裸燕麦“中国芯”

7月18日,四川农业大学小麦研究所彭远英教授研究团队的论文《基于参考基因组揭示六倍体燕麦的起源和进化》在国际知名学术期刊《自然·遗传学》(Nature Genetics)上在线发表,小麦所魏育明教授为共同通讯作者。该项研究首次破译六倍体栽培裸燕麦的基因组,绘制出燕麦的“基因密码图”。审稿人评价这一研究“代表了植物基因组学特别是谷物基因组学的重大进展”。该项研究将加速栽培燕麦的遗传改良和分子设计育种,对培育优良燕麦品种、提升燕麦产业竞争力、保障粮食安全将产生重要作用。


燕麦进化历史

解码燕麦的“中国芯”

燕麦作为营养价值很高的粮、饲兼用型作物而在全球得到青睐,随着人们对营养与保健需求的提高,它已成为一种重要的谷物。近年来,我国燕麦产业以年产值20%以上的增速快速发展,2021年仅燕麦籽粒消费量已接近100万吨,燕麦干饲草量约为300万吨。

目前,燕麦广泛分布在五大洲42个国家。世界各国的栽培种以皮燕麦为主,而我国主要种植裸燕麦。相比之下,裸燕麦加工工艺更加简单,具有更高的蛋白和粗脂肪含量,且氨基酸组成更加平衡,极具研究价值。

中国作为裸燕麦的起源和种植中心,具有丰富的裸燕麦遗传多样性。此次发表的成果正是以我国地方裸燕麦品种“三分三”为研究材料,绘制出了燕麦基因组21对染色体的分子图谱,注释出了12万个蛋白编码基因,为科研人员解析燕麦基因组进化和驯化提供了高质量的基因组信息和全新视角。

“中国作为六倍体栽培裸燕麦的起源和种植中心,我们需要明确我国特有的裸燕麦基因组信息以进一步挖掘基因资源。”论文第一和共同通讯作者、四川农大小麦研究所彭远英教授表示:“有了基因组图谱,我国裸燕麦的育种和遗传研究就会进入快车道。”

据了解,该研究论文在国家燕麦荞麦产业技术体系和国家自然科学基金的支持下,由四川农业大学、吉林省白城市农业科学院联合中国科学院遗传与发育生物学研究所、四川大学、西昌学院、中国农业科学院和武汉希望组生物科技有限公司共同合作完成。

“这项研究全部由中国人自己完成,牢牢把种质资源握在我们自己手里,让燕麦品种装上更多‘中国芯’。”彭远英说。

“千呼万唤始出来”的裸燕麦参考基因组

早在新世纪伊始,科学家们就将基因组测序的目标锁定到农作物身上。2002年水稻基因组图谱便已发表,此后玉米、马铃薯、大豆、小麦等众多主要农作物的基因组测序也相继完成。时隔20年,燕麦的基因组测序结果姗姗来迟,究其原因是其研究难度极大。

现有的栽培燕麦在漫长进化过程经自然杂交和加倍,从最初二倍体最终形成由约110亿个碱基对组成的六倍体,基因组庞大而复杂,体量约为水稻基因组的40倍,致使其基因组测序组装研究非常困难,是迄今为止科学家测序的所有物种中最复杂的基因组之一。

彭远英告诉记者:“针对六倍体燕麦在研究过程中可能遇到的问题,我们设计选用了可进行更长DNA片段高精确度测序的超长测序技术,并根据常年的研究经验,选择了栽培燕麦最可能的四倍体和二倍体祖先,结合HiC、二代测序和全长转录组测序等不同技术手段,最终获得了裸燕麦的高质量参考基因组。”

人们吃的栽培燕麦诞生在50万年前

在获得燕麦参考基因组基础上,该研究还发现燕麦属物种约在800万年前产生。而在约50万年前——人类旧石器时代,现在广泛种植和食用的六倍体栽培燕麦就已通过杂交形成了。

“燕麦作为六倍体作物,它在生物量、活力和对环境变化的适应性方面均具有显著优势,在应对粮食安全挑战中可以发挥其独特作用。”彭远英表示,深入了解燕麦的进化历史将极大地促进渗透育种,并能将性状从其最接近的野生亲缘转移到栽培燕麦中,推动燕麦优良品种的选育。

此外,该研究根据参考基因组序列和注释信息预测了燕麦皮裸籽粒和抗病等重要性状相关的关键基因位点,体现了参考基因组在重要性状基因挖掘和燕麦分子育种方面的重要价值。彭远英的思考很长远:燕麦参考基因组的构建作为燕麦研究迈入基因组时代的第一步,将使燕麦的全基因组选择育种和精准育种成为可能。“我们现在可以开始考虑如何使用现代育种策略,进一步改进和开发特定的燕麦品种,以满足全球对其日益增长的需求。”彭远英表示。

接下来,该团队还将结合原有研究优势,在已有基础上进一步深入开展燕麦起源、驯化和优异基因资源发掘与利用等研究工作,期望能进一步推动燕麦的应用基础研究和育种。

作者:杨雯

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