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重大突破!目前最完善的小麦基因组图谱发布
发布日期: 2018-08-17

历时13年,来自20个国家73个研究机构的200多名科学家终于绘制完成完整的小麦基因组图谱,其研究成果“Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome”于8月17日在Science杂志上在线刊发。这项“里程碑”工作为培育产量更高、营养更丰富、气候适应性更强的小麦品种奠定基础。华大作为合作机构之一,参与完成了其中染色体7B的BAC 测序与组装工作。
小麦是全球最重要的粮食作物之一,养活了世界上40%的人口。我国是世界上小麦生产与消费大国,常年种植面积为2400万公顷左右,年产量近1.3亿吨。因而,小麦的研究始终是国内外科学家难以放下的心头大事。
小麦基因组图谱的发布能全面阐明小麦的生长、发育、抗病、抗逆和高产的分子机制及相关规律,可极大推动其遗传育种研究,带来育种新变革。科学家相信,小麦基因组图谱的绘制完成,可帮助培育出抗旱、抗病和高产优质的小麦品种。该研究论文在国际小麦基因组测序联盟(International Wheat Genome Sequencing Consortium,IWGSC)协作下完成。
据新华社报道,国际小麦基因组测序联盟执行主任凯利·埃弗索尔在一份声明中表示,绘制小麦基因组图谱是许多人共同努力的结果,这曾被视为“不可能完成的任务”。这种绘制参考序列的方法为今后大型、复杂的植物基因组测序工作提供范例,再次证明通过国际合作推进粮食安全的重要性。
华大集团CEO徐讯表示,华大在重要粮食作物基因组领域一直持续研究,并指出此小麦基因组的发布将对小麦的基础与分子育种研究等工作起到重要的支撑与帮助作用。
据了解,对作物进行基因组测序,是实现基因组育种的首要任务。有了基因组序列,才可开发大量分子标记,对重要农艺性状基因进行全方位鉴定。简单来说,有了基因组序列,也就等于你手中有了一张详细的基因位点地图。根据地图,科学们就可以很容易、快速、精准地找出控制某个性状的目标基因,并鉴定出它的优异等位变异。
目前,世界三大粮食(小麦、水稻、玉米)作物中,水稻和玉米基因组测序已相继完成,极大推动了这两大作物的基础和分子育种研究。然而,同样作为世界三大粮食之一的小麦,也是世界上栽培范围最广的作物,却由于自身基因组的特殊性和复杂性,基因组测序研究进展缓慢,制约了小麦功能基因组学与品种改良研究。
“近十年来,我国与其他主要小麦生产国都出现了小麦单产增长变缓的情况,加之全球气候变化,小麦生产面临严重挑战。亟须在品种改良和育种上加大研究,满足实际生产需要。”中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员张爱民说。
唯有攻破测序难关,才有可能实现小麦在品种改良和育种上的进一步突破。
针对小麦基因组第7号染色体高复杂的特性,华大的参与者闵久梦表示:“全基因组shortgun测序组装达不到很好的效果,因此就选用了BAC to BAC策略。首先对7BL和7BS构建总计16,444个BAC文库,然后对每个BAC进行测序,测序深度不低于50X。在组装过程中,我们首先对每个BAC进行单独组装,然后再放在一起进行拼接。”
下面,我们就从基因组和生物学方面来详细看看此研究的重要成果:
基因组方面:
组装了一个小麦高质量基因组,将该基因组与3个独立的数据集进行共线性分析证明了其很高的完整度和连续性。
重新评估了小麦基因组的大小为15.4-15.8Gb(之前为15.9-17.3Gb)。
确定了着丝粒的精细位置,进一步利用HiC和CSS版本(2014)数据定位了小麦染色体着丝粒的位置,基于着丝粒特异组蛋白H3变异(CENH3)的ChIP-seq数据定义了其精细位置;对小麦着丝粒的最小平均尺寸的保守估计是4.9Mb。
对3个亚基因组A、B和D的基因和非基因含量(miRNA,tRNA和TE家族)进行了广泛的比较分析,发现自从大约500万年前三个亚基因组发生分化以来,TE含量通过一系列的缺失/扩增被广泛地重新排列,而三个亚基因组大小的差别主要是由于TE含量的不同,但不同TE家族在三个亚基因组中具有相似的比例。这表明,形成小麦族(Triticeae)祖先基因组的TE家族,自分化5百万年前以来,一直保持在三个谱系中;在整个进化过程中,TE家族在基因组水平上的相对比例一直相对稳定,每一个家族的缺失都会导致扩增的平衡损失。这一动态与TE演化的模式形成了鲜明的对比,该模式先是连续的爆发,然后是沉默和消除。
获得了亚基因组间39474个基因同源群,分析了亚基因组上的基因丢失及获得,数据并不支持亚基因组间基因丢失与获得的偏向性。
生物学方面:
利用来自850个独立数据集的转录组图谱,代表了小麦不同发育阶段及胁迫处理的32个组织,分析了小麦基因的表达模式及染色体不同区域上基因功能注释,利用WGCNA分析揭示了组织和发育阶段相关的共表达网络。
分析了与育种家选择相关基因的扩张及缩减,例如抗逆、产量和品质相关的基因。
通过基因组和转录组的分析,发现了参与环境适应性(抗病相关基因、耐冷基因、PPR蛋白)和最终品质的复杂基因家族,揭示了它们的基因组分布及与已知农艺性状相关的单基因或QTL位点。
以“基于基因组指导的解析抗虫/非生物胁迫QTL,改进标记辅助选择”作为实例说明基因组的应用。基于遗传图谱上的分子标记在基因组上的位置,获得QTL区间的基因,结合转录组分析RNA-seq分析表达模式差异和基因的功能注释,推测QTL的候选基因。该研究能够促进对小麦生物学的理解和加速基因组辅助选,为小麦研究和育种的模式转变奠定了基础。
小麦基因组的研究意义重大,组装的染色体序列及注释出的基因信息将帮助小麦农艺性状基因的精细定位、克隆和功能解析,加速栽培小麦的遗传改良和分子设计育种;对提升小麦产业竞争力、保障粮食安全和农业提质增效与可持续发展等方面都将产生重要作用。基因组学的发展为小麦育种提供了重要的资源,获得一个完整的有序的具有注释信息的基因组,能够加速挖掘关键农艺性状的调控基因、理解基因的分子机制,从而加速遗传收益、增加和保护小麦产量和品质性状。
先一起回顾小麦基因组的研究历程:
2005年
美、法等国科学家发起并成立了国际小麦基因组测序联盟,组织全世界20多个小麦主要生产国的科学家协作开展小麦基因组测序。
2008年
国际小麦基因组测序联盟完成了普通小麦3B单条染色体的物理图谱构建,并于2014年完成了该染色体的测序及组装。
2012年
国际小麦基因组测序联盟最先发表小麦基因组。英国利物浦大学Neil Hall领导的研究小组利用454焦磷酸测序技术,对中国春的基因组进行了全基 因组测序,相关研究于在Nature发表。
2017年
以英国为主的的研究小组利用精准大小的mate-pair文库和优化的组装算法,进一步提高了中国春基因组的组装质量和完整性,组装出来的基因组大约占完整中国春基因组的78%,相关研究成果发表于Genome Research。
2017年
美国约翰霍普金斯大学Steven L Salzberg领导的研究小组利用二代和三代测序技术,分别得到约65 x和36 x的测序数据,组装出来大约15.34Gb的物理图谱,约占中国春全基因组的90%,这是目前为止最完整的中国春参考图谱(Triticum 3.0),相关成果发表于GigaScience。同样,得益于NRGene的组装技术,野生二粒小麦的物理图谱也于2017年在Science发表。
同时,我国科学家在麦类作物基因组研究方面也做出了很多突出贡献:
2013年
小麦A基因组和D基因组供体材料基因组草图完成。中科院遗传发育所与华大完成了小麦A的祖先种乌拉尔图小麦(Triticum urautu)的基因组草图,并在Nature上发表。
2013年
中国农科院作物科学研究所与华大合作,对小麦D基因组祖先种-粗山羊草的基因组进行了测序组装,成果发表于Nature。
2017年
UC Davis的罗明成老师基于2013年发表在PNAS上的物理图谱,在Nature上发表了小麦D基因组材料AL8/78的物理图谱。
2018年
经过5年的努力,在中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室、遗传发育所基因组分析平台、中国科学院种子创新研究院、华大等机构的共同合作与努力下,基于BAC-by-BAC策略,结合PicBio的三代测序技术、BioNano以及10X Genomics技术组装了乌拉尔图小麦的第二个版本的物理图谱(Tu2.0),成果发表于Nature。
关于国际小麦基因组测序联盟
国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)是一个由小麦种植者、植物科学家、公共和私人育种家在2005年成立的一个国际合作联盟。IWGSC的愿景是获得面包小麦的高质量基因组序列,它是加速品种改良发展的基础。目前,IWGSC在68个国家有2400个成员。