泛基因組研究“撬動(dòng)”大豆革命

6月17日，《細(xì)胞》在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜團(tuán)隊(duì)關(guān)于大豆泛基因組的研究進(jìn)展。該研究突破傳統(tǒng)線性基因組的存儲(chǔ)形式，在植物中首次實(shí)現(xiàn)基于圖形結(jié)構(gòu)基因組的構(gòu)建。這項(xiàng)研究將引領(lǐng)全新的下一代基因組學(xué)研究思路和方法，被《細(xì)胞》雜志審稿人稱為“基因組學(xué)的里程碑式工作”。

傳統(tǒng)研究方法無(wú)法支撐復(fù)雜變異相關(guān)研究

基于圖形結(jié)構(gòu)泛基因組研究打破了傳統(tǒng)基因組線性存儲(chǔ)遺傳信息的方式（ATCG等堿基按照順序排列到染色體），是結(jié)合了傳統(tǒng)基因組存儲(chǔ)方式和圖論的一種新型基因組存儲(chǔ)方式。其優(yōu)勢(shì)是可以存儲(chǔ)某物種中不同個(gè)體的遺傳變異信息，從而真正代表一個(gè)物種的遺傳信息，而非特定個(gè)體的遺傳信息。此項(xiàng)研究還處于起步階段。

基因組學(xué)是生命科學(xué)研究的核心基礎(chǔ)。在種質(zhì)資源的群體變異與性狀挖掘研究中，通常需要借助一個(gè)參考基因組，通過(guò)將測(cè)序數(shù)據(jù)比對(duì)到參考基因上來(lái)鑒定個(gè)體間的遺傳變異。該方法受制于參考基因組序列及其與檢測(cè)個(gè)體間的相似性，參考基因組沒(méi)有的基因組序列和個(gè)體間差異較大區(qū)域的信息將無(wú)法在群體中鑒定。同時(shí)，大片段的插入、缺失、拷貝數(shù)等變異類型也無(wú)法有效鑒定。

然而，這些基因組信息往往具有重要的生物學(xué)功能。因此，單一參考基因組在揭示種質(zhì)資源豐富變異的研究中越來(lái)越“心有余而力不足”。

為大豆研究構(gòu)建高質(zhì)量圖形結(jié)構(gòu)泛基因組

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)大豆需求量大，對(duì)外依賴嚴(yán)重。因此，加強(qiáng)大豆研究、提高大豆產(chǎn)能迫在眉睫。

此前，田志喜團(tuán)隊(duì)完成的大豆品種——“中黃13”黃金版大豆參考基因組的組裝和注釋曾獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。然而，研究人員在對(duì)大豆種質(zhì)資源的深度重測(cè)序和群體遺傳學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)，不同大豆種質(zhì)資源之間存在較大的遺傳變異，單一或少數(shù)基因組不能代表大豆群體的所有遺傳變異。大豆基礎(chǔ)研究和分子設(shè)計(jì)育種急需能夠代表不同大豆種質(zhì)材料的全新基因組資源。

田志喜等人聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所梁承志和朱保葛團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)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)教授黃學(xué)輝團(tuán)隊(duì)等，對(duì)來(lái)自世界大豆主產(chǎn)國(guó)的2898個(gè)大豆種質(zhì)材料進(jìn)行了深度重測(cè)序和群體結(jié)構(gòu)分析，挑選出26個(gè)最具代表性的大豆種質(zhì)材料，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。

研究人員利用最新組裝策略，對(duì)26個(gè)大豆種質(zhì)材料進(jìn)行了高質(zhì)量的基因組從頭組裝和精確注釋。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的“中黃13”等基因組，研究人員開展了系統(tǒng)的基因組比較，構(gòu)建了高質(zhì)量的基于圖形結(jié)構(gòu)泛基因組，挖掘出大量利用傳統(tǒng)基因組不能鑒定到的大片段結(jié)構(gòu)變異。

深入分析后發(fā)現(xiàn)，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。例如，HPS基因的結(jié)構(gòu)變異調(diào)控大豆種皮亮度變化;野生與栽培大豆CHS基因簇的結(jié)構(gòu)變異是導(dǎo)致種皮顏色由黑色向黃色馴化的主要原因。另外，一些基因結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致了其在不同種質(zhì)材料中基因表達(dá)的差異。

此外，研究還鑒定出15個(gè)結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致了不同基因間的融合，這為研究新基因的產(chǎn)生提供了重要線索。此高質(zhì)量圖形結(jié)構(gòu)泛基因組的構(gòu)建不僅具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為過(guò)去已經(jīng)開展的大量重測(cè)序數(shù)據(jù)提供了全新的分析平臺(tái)，將使這些數(shù)據(jù)獲得“第二次生命”。

為大豆研究提供了重要資源和分析平臺(tái)

上世紀(jì)60年代，以降低農(nóng)作物株高、半矮化育種為特征的第一次“綠色革命”，使得全世界水稻和小麥產(chǎn)量翻了一番，解決了溫飽問(wèn)題。然而，在過(guò)去的60年里，大豆平均單產(chǎn)相對(duì)其他主糧作物而言尚無(wú)明顯突破，大豆生產(chǎn)也亟須“綠色革命”。

該研究所選用的大豆種質(zhì)材料不僅在遺傳多樣性上具有代表性，且具有重要的育種和生產(chǎn)價(jià)值。其中，滿倉(cāng)金、十勝長(zhǎng)葉、紫花4號(hào)等種質(zhì)材料作為骨干核心親本已各自培育出了上百個(gè)優(yōu)良新品種（黑河43、齊黃34、豫豆22、皖豆28、晉豆23、徐豆1號(hào)），都是各個(gè)大豆主產(chǎn)區(qū)推廣面積最大的主栽品種。專家認(rèn)為，該基因組和相關(guān)的2898份種質(zhì)材料遺傳變異的發(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，助力大豆實(shí)現(xiàn)“綠色革命”。

云南師范大學(xué)教授祝光濤認(rèn)為，該研究是作物學(xué)研究領(lǐng)域群體數(shù)目最多、基因組組裝質(zhì)量最好的泛基因組解析，從大數(shù)據(jù)的整合到重要生物學(xué)性狀的解析均達(dá)到了新高度。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2020-06-18 第1版