貝瑞基因祝賀中科院梁承志組破譯小麥A基因組精細圖

2018年5月10日,國際著名學術刊物Nature?(http://www.nature.com/nature)在線發表了題為“Genome sequence of the progenitor of wheat A subgenome Triticum urartu”的研究論文(http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0108-0)。該項研究完成了小麥A基因組的測序和染色體序列精細圖譜的繪制,全面揭示了小麥A基因組的結構和表達特征,對深入和系統地研究麥類植物的基因組結構與功能以及進一步推動栽培小麥的遺傳改良具有重要理論意義和實用價值。該項研究由中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室,遺傳發育所基因組分析平臺,中國科學院種子創新研究院等合作完成。

小麥是全球最重要的糧食作物,養活了世界上40%的人口,提供了人類所需20%的熱能和蛋白質。我國是世界上小麥生產和消費大國,常年種植面積為2,400萬公頃左右,年產量近1.3億噸。生產上廣泛種植的普通小麥是一個經兩次自然雜交而形成的異源六倍體,含有A、B和D三個基因組,其基因組大(約17 Gb,是水稻基因組的40倍)而復雜,85%以上基因組DNA為重復序列,致使基因組組裝研究困難重重,進展緩慢。追本溯源,烏拉爾圖小麥(基因組約為5 Gb)是普通小麥和其它多倍體小麥(如野生和栽培的四倍體小麥、Timopheevii?和?Zhukoviskyi小麥等)中A基因組的原始二倍體供體,是形成多倍體栽培小麥的核心基因組。因此,對烏拉爾圖小麥基因組的解析是闡明多倍體小麥基因組的結構、功能和進化的一個關鍵基礎。

20180510-小麥A基因組測序獲得重大進展-文章附圖1

圖1 跟六倍體小麥基因組草圖的比較顯示染色體結構變異

針對這一科學難題,中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物細胞與染色體國家重點實驗室的小麥基因組研究團隊與遺傳發育所的梁承志課題組等合作,通過構建A基因組BAC文庫和BAC測序,結合全基因組PacBio單分子測序以及最新物理圖譜構建技術(Bionano和10x Genomics),最終完成了烏拉爾圖小麥材料G1812的基因組測序和精細組裝,繪制出了小麥A基因組7條染色體的序列圖譜,注釋出了41,507個蛋白編碼基因。這是小麥基因組研究中的一個重大突破。該研究發現在小麥基因組中參與春化和開花的REM類轉錄因子基因有明顯擴增,并鑒定出了小麥A基因組從二倍體、經四倍體到六倍體進化過程中的染色體結構變異。通過與水稻、高粱和短柄草基因組的比較和共線性分析,推演出了小麥A基因組7條染色體從禾本科共同祖先基因組起源的演化模型。研究還發現小麥基因組中的基因丟失或移動率明顯高于水稻基因組。群體遺傳學分析顯示來自于新沃月地區的烏拉爾圖小麥可分為三個亞群,其遺傳多樣性與海拔高度密切相關,并發現海拔高度在烏拉爾圖小麥適應環境和重要性狀(如白粉病抗性)形成中起到重要作用。

20180510-小麥A基因組測序獲得重大進展-文章附圖2

圖2 小麥A基因組從禾本科共同祖先染色體起源的演化模型

小麥A基因組序列精細圖譜的完成,為國內外科研工作者解析小麥基因組進化和馴化提供了高質量的基因組信息和重要基礎。組裝的染色體序列及注釋出的基因信息將助力小麥重要農藝性狀基因的精細定位、克隆和功能解析,加速栽培小麥的遺傳改良和分子設計育種;對提升小麥產業競爭力、保障糧食安全和農業提質增效與可持續發展等方面都將產生重要作用。該項研究由中國科學院和中華人民共和國科技部資助完成。

 

貝瑞基因和中科院遺傳所梁承志課題組一直保持著密切深入的合作,特別是在PacBio、Bionano技術應用方面,梁承志課題組依托貝瑞基因國際先進的技術平臺,搭配即將公開的神秘、高效、驚人的組裝方法,將基因組學研究推到了一個更深的層次。未來,更多連續的、準確的基因組將陸續橫空出世,讓我們拭目以待!

 

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