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#经典回顾#3000株亚洲水稻基因组重测序项目

2019-03-06 820被子植物水稻基因组重测序

众所周知,水稻是全球主要的粮食作物之一。根据联合国粮农组织的统计,2019年全球水稻产量预计增加1.6%,增至5.14亿吨。其中,90%以上的水稻产于亚洲,而且集中于东亚、东南亚和南亚这三大地区。从一百多年前开始,关于水稻起源问题就争议不止,印度,中国,泰国,韩国四国纷纷加入争议战。传统生物学者希望通过确定水稻起源,找到原始栽培类型和野生近缘种,从而能更方便地利用这些遗传资源来改良作物品种,提高产量和品质。随着基因组学研究的发展,全面了解水稻基因组信息,不仅可为水稻起源问题带来答案,还能利用这些基因组信息研究水稻基因功能, 利用全基因组数据来指导科学育种,加快水稻育种改良。

3010份亚洲稻群体重测序项目是由中国农业科学院作物科学研究所牵头,联合国际水稻研究所、华大基因等16家单位共同完成。该研究对来自89个国家的3,010份水稻品种进行了重测序研究(resequence),参考的是日本晴(Nipponbare)基因组。所有3,010个基因组的平均测序深度(average sequencing depth)为14×,平均基因组覆盖率(average genome coverage)和绘图率(average mapping rate)分别为94.0%和92.5%。该研究产出的测序数据信息存储于国家基因库生命大数据平台CNGBdb 下的归档数据库CNSA中。该研究成果以7页Article研究长文的形式发表于《Nature》杂志,并首次在英文期刊杂志中使用了汉字“籼”和“粳”。

让我们一起看看如何进行3000水稻研究的吧:

(1) 发现遗传变异和分组

该研究分析了3010份水稻样本的遗传变异并发现了高水平的多样性。基于SNPs和SVs的3K水稻群体结构研究与此前已报道的5种水稻研究成果一致,该研究依据地理起源对XI和GJ进行了更细化分类,得到9个亚群。大量SNPs、基因和基因家族、SVs在单个亚群中唯一或占用主要优势。在约1,000个典型基因中观察到不同程度的遗传多样性降低现象。细看驯化基因单体型共享模式表明:XI全部驯化基因并非都来自GJ,再结合考古学证据——9,000年前印度和中国已有XI培育,研究结果更支持水稻驯化多样独立性。

(2)结构变异分析

将3010份水稻的测序数据与日本晴参考基因组比对以检测结构变异(Structural variations,SVs)。并重点研究其中453个品系(测序深度>20X、比对深度>15X)。推测大量的SVs可能导致XI和GJ种间不同程度的杂合不育或杂合减弱。

(3)水稻泛基因组研究

基于广泛分布的SVs和基因组大小的差异,该研究进一步进行了3K-RG蛋白编码区泛基因组研究(Pan-genome)。该研究首次使用“map-to-pan”分析策略建立重要品系的泛基因组。结果表明:更大型泛基因组发生于XI亚群而非GJ,但GJ包含更多核心基因。这两者之间的差异可能归因于不同的生态地理分布:GJ生长在高纬度或更严峻的高纬度环境中,相比之下,XI的生长环境更温和但更多样。理解了主要组群/亚组群、核心、不平衡、优势基因的功能,以便更好的理解水稻环境适应性生理及分子机制。

总结

3K群体分析突出了存在于水稻种质资源的遗传多样性。等待挑战即为将3K群体分析数据资源与形状育种相结合,依据遗传多样性指导育种和积累育种收益,持续促进农业发展。

“3000株水稻基因组项目”所产出和公开的大量遗传信息将最终被应用于智能育种实践中。全面了解一个植物的遗传组成可以使研究人员鉴定与特定性状特征相关联的遗传标记,更好地了解不同的基因间相互作用是如何影响植物的表型,从而实现更加准确、快速的水稻品种培育。

引用

  1. Genomic variation in 3,010 diverse accessions of Asian cultivated rice[J]. Nature, 2018.](https://db.cngb.org/search/literature/29695866/)
  2. 科学网:3000株水稻基因序列公开发表
  3. 联合国粮食与农业组织:世界粮食形势
  4. 果壳网:水稻起源的战争:印度还是中国?

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