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中国科学家主导完成小麦A、D基因组图谱绘制,助力多倍体小麦进化及育种研究 ——两项研究成果在同期《自然》杂志发表
发布日期: 2013-03-25

深圳华大基因研究院分别与中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业科学院作物研究所等单位合作完成了普通小麦A、D基因组供体乌拉尔图小麦(Triticum urartu,AA)及粗山羊草(Aegilops tauschii, DD)的基因组测序及分析工作。这两项研究成果2013年3月25日在同期《自然》(Nature)杂志上在线发表。小麦A、D基因组研究成果将为科研工作者研究小麦进化史提供全新的视角,为多倍体小麦遗传育种提供宝贵资源。此外,本研究还将有助于应对当前全球粮食安全问题所带来的挑战,从而进一步推动农业的可持续发展。

小麦粮中宝,源流万年长。小麦作为当今全球最重要的粮食作物之一,其原始祖先是野生一粒小麦,经过漫长的自然选择与近万年的人工驯化,才成为如今穗大粒多、颗粒饱满的普通小麦。当今作为主流粮食作物的普通小麦是一个异源六倍体,由A、B、D三套子基因组共同组成,其基因组达16Gb之多,为小麦的分子生物学及基因组学研究带来巨大的挑战。基于前期研究已经证实D基因组的祖先供体来源于粗山羊草DD,而乌拉尔图小麦AA则是A基因组的供体,对这些小麦的祖先供体基因组进行测序,对全世界研究小麦的科学团体具有十分重要的意义。

乌拉尔图小麦是驯化及遗传改良中占据重要作用。在第一项研究中,华大基因与中国科学院遗传与发育生物学研究所等单位的科研人员共同完成了乌拉尔图小麦(Triticum urartu)基因组的测序及分析工作。

通过对其基因组的测序、组装、注释及相关基因的深入分析,研究人员发现,乌拉尔图小麦基因组中与抗病相关的一些基因发生了扩张,使其抗病能力得以增强。该研究还用全基因数据证实,重复序列扩张对于小麦家族进化过程中基因组大小的增加至关重要。同时,研究人员还鉴定出了重要作物性状相关基因,如与水稻中控制谷粒长度GASR7的同源基因TuGASR7,通过关联分析证明该基因参与控制小麦籽粒长度和粒重。外,该研究还筛选出大量的遗传分子标记,将有助于通过基因组分子标记辅助选择促进分子育种。

乌拉尔图小麦基因组图谱的完成,为诸多多倍体小麦种属的供体A基因组研究提供了新思路同时还将会加速小麦基因组及其在分子育种等领域中更深入更系统的研究,从而有助于应对粮食安全所带来的各种挑战。

目前普遍认为,粗山羊草作为一种野生二倍体杂草,在8000多年前与四倍体小麦——圆锥小麦杂交而形成当前的六倍体栽培种。在另一项研究中,华大基因与中国农科院作物研究所等多家单位合作共同完成了粗山羊草(Aegilops tauschii)基因组的测序及分析等研究。

研究人员通过对粗山羊草进行测序、组装及注释,对其基因组进行了深入详尽的分析。小麦及其祖先种原产于西亚(以色列、伊拉克、伊朗、叙利亚、土耳其等)的一个很小的“新月沃”地带。通过全基因组分析,研究人员发现大量与抗病能力相关的基因(如NBS-LRRl基因等)所发生的显著扩张增强了小麦的抗病性;与对抗非生物应激反应相关的基因所发生的扩张,增强了小麦的抗逆性及适应性;此外,与小麦特有品质相关的基因扩增,促使小麦的品质性状得到改良,从而成为唯一能够制作馒头、面包、饺子等多种食品粮食作物。研究人员还在粗山羊草基因组中鉴定出大量的转座子,使小麦的基因组迅速膨大。据推测,基因组膨大约发生在300万年前,可能与当时地球的气候变化有关。

正是由于D基因组的加入,使小麦的抗病性、适应性与品质得到大大改良,从而才使小麦“走出新月沃”,走向世界各地,成为世界上种植区域最广的第一大粮食作物。小麦D基因组的供体种粗山羊草遗传多样性丰富,其中蕴含着许多优良基因。D基因组框架图的构建开发利用将有助于进一步丰富小麦遗传多样性、促进其品种改良。