四川日報 2022年07月20日
首次繪出裸燕麥“基因密碼圖”
●該項研究將加速栽培燕麥的遺傳改良和分子設計育種，對培育優(yōu)良燕麥品種、提升燕麥產(chǎn)業(yè)競爭力、保障糧食安全將產(chǎn)生重要作用
●這項研究全部由中國人完成。“深入研究中國特有的燕麥種質(zhì)資源，就是希望牢牢把種質(zhì)資源握在我們自己手里，讓燕麥品種裝上更多‘中國芯’。”
□楊雯四川日報全媒體記者 江蕓涵 史曉露
7月18日23時(shí)許，四川農業(yè)大學(xué)小麥研究所彭遠英教授研究團隊的論文《基于參考基因組揭示六倍體燕麥的起源和進(jìn)化》在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》在線(xiàn)發(fā)表。同時(shí)，期刊還特別邀請論文作者撰寫(xiě)研究簡(jiǎn)報《栽培燕麥的起源與進(jìn)化》，對成果進(jìn)行了推介。四川農業(yè)大學(xué)小麥研究所教授魏育明為共同通訊作者。
該項研究首次破譯六倍體栽培裸燕麥的基因組，并深入研究了六倍體燕麥的起源與亞基因組進(jìn)化，繪制出燕麥的“基因密碼圖”。審稿人評價(jià)這一研究“代表了植物基因組學(xué)特別是谷物基因組學(xué)的重大進(jìn)展”。該項研究將加速栽培燕麥的遺傳改良和分子設計育種，對培育優(yōu)良燕麥品種、提升燕麥產(chǎn)業(yè)競爭力、保障糧食安全將產(chǎn)生重要作用。
“有了基因組圖譜，我國裸燕麥的育種和遺傳研究就會(huì )進(jìn)入快車(chē)道。”
解碼燕麥的“中國芯”，助力育種和遺傳研究
論文第一作者和共同通訊作者彭遠英告訴記者，燕麥分為帶稃型（皮燕麥）和裸粒型（裸燕麥）兩大類(lèi)，裸燕麥起源于中國。
相比于皮燕麥，裸燕麥加工更加簡(jiǎn)單，我國主要種植的是裸燕麥，主產(chǎn)區集中在內蒙古、河北、山西等地，云、貴、川、藏有小面積的種植。“裸燕麥加工工藝更加簡(jiǎn)單，具有更高的蛋白質(zhì)和粗脂肪含量，且氨基酸組成更加平衡，極具研究?jì)r(jià)值。”彭遠英說(shuō)。
此次發(fā)表的成果，以我國裸燕麥起源中心的地方裸燕麥品種“三分三”為材料，通過(guò)研究繪制出燕麥基因組21對染色體的分子圖譜，注釋出12萬(wàn)個(gè)蛋白編碼基因。該研究為科研人員解析燕麥基因組進(jìn)化和馴化，提供了高質(zhì)量的基因組信息和全新視角。
“中國作為六倍體栽培裸燕麥的起源和主要種植中心，我們需要通過(guò)明確我國特有的裸燕麥基因組信息，進(jìn)一步挖掘以裸粒馴化性狀為代表的基因資源。”彭遠英表示，“有了基因組圖譜，我國裸燕麥的育種和遺傳研究就會(huì )進(jìn)入快車(chē)道。”
彭遠英進(jìn)一步解釋?zhuān)@就像破解其他作物的基因密碼一樣，我們以后就能根據基因信息來(lái)定向培育具有特定性狀、功能的裸燕麥。比如，提升品種抗病性；控制種子大小，增加產(chǎn)量；讓其中β-葡聚糖含量更高，以幫助食用者通過(guò)攝入膳食纖維有效控制膽固醇和糖尿病。
“整個(gè)測序的原始數據和分析數據，我們用了20個(gè)5T的硬盤(pán)。”
研究難度大，全部由中國人完成
《基于參考基因組揭示六倍體燕麥的起源和進(jìn)化》這項研究于2018年啟動(dòng)，由四川農業(yè)大學(xué)和吉林省白城市農業(yè)科學(xué)院聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、四川大學(xué)、西昌學(xué)院、中國農業(yè)科學(xué)院和武漢希望組生物科技有限公司合作完成。四川農業(yè)大學(xué)為第一完成單位，研究團隊由國家燕麥蕎麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家、吉林省白城市農業(yè)科學(xué)院院長(cháng)任長(cháng)忠領(lǐng)銜。
六倍體栽培裸燕麥基因組龐大而復雜，體量約為水稻基因組的40倍，且有大約87%的基因組DNA為重復序列，致使其基因組測序組裝研究非常困難。可以說(shuō)，六倍體燕麥參考基因組是迄今為止科學(xué)家測序的所有物種中最復雜的基因組之一。“雖然基因組研究主要在實(shí)驗室完成，但數據量非常大。整個(gè)測序的原始數據和分析數據，我們用了20個(gè)5T的硬盤(pán)。常規分析跑完一輪就需要2個(gè)月。”
針對六倍體燕麥亞基因組構成及其高重復序列含量導致的在基因組裝中可能遇到的問(wèn)題，科研團隊設計了選用可進(jìn)行更長(cháng)DNA片段高精確度測序的超長(cháng)測序技術(shù)，并利用近20年的燕麥屬物種研究經(jīng)驗積累，選擇了栽培燕麥最可能的四倍體和二倍體祖先，結合HiC、二代測序、全長(cháng)轉錄組測序和轉錄組測序等不同技術(shù)手段，最終完成了中國裸燕麥的染色體組裝、掛載和注釋?zhuān)@得裸燕麥的高質(zhì)量參考基因組。
令研究團隊最驕傲的是，這項研究全部由中國人完成。“深入研究中國特有的燕麥種質(zhì)資源，就是希望牢牢把種質(zhì)資源握在我們自己手里，讓燕麥品種裝上更多‘中國芯’。”彭遠英說(shuō)。
同步播報
燕麥和小麥一樣，也適合在四川廣泛種植
研究發(fā)現，燕麥屬物種約在800萬(wàn)年前產(chǎn)生。而在約50萬(wàn)年前——人類(lèi)舊石器時(shí)代，現在廣泛種植和食用的六倍體栽培燕麥就通過(guò)AA基因組二倍體和CCDD基因組四倍體雜交加倍形成了。彭遠英表示，深入了解燕麥的進(jìn)化歷史，將有力推動(dòng)燕麥優(yōu)良品種的選育工作。此外，燕麥參考基因組的構建作為燕麥研究邁入基因組時(shí)代的第一步，將使燕麥的全基因組選擇育種和精準育種成為可能。
接下來(lái)，該研究團隊還將在已有基礎上深入開(kāi)展燕麥起源、馴化和優(yōu)異基因資源發(fā)掘與利用等研究工作，期望研究結果能進(jìn)一步推動(dòng)燕麥的應用基礎研究和育種。
“燕麥的抗逆性和適應性很強，為了不與其他糧食作物爭地，目前主要種植在高海拔或土壤相對貧瘠的地區。其實(shí)，燕麥和小麥一樣，也適合在四川廣泛種植。”彭遠英認為，四川種植燕麥有自己的優(yōu)勢，可以種植兩季，成都平原和其他平壩區可以在10月份播種，來(lái)年4、5月份收獲，高寒山區可以3、4月份播種，當年秋季收獲。此外，四川弱光照的條件更適合燕麥飼草的生長(cháng)，未來(lái)可在西南地區飼草燕麥的發(fā)展上多下功夫。
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