大麦基因组研究再突破!Nature在线发表澳大利亚著名华人科学家李承道教授团队在大麦泛基因组研究取得的最新成果

2020-11-26 1036文献解读

北京时间11月26日,澳大利亚默多克大学西澳洲大麦联盟主任李承道教授团队联合德国莱布尼兹植物遗传和作物植物研究所(IPK)Nils Stein研究团队、浙江大学张国平教授团队、中国农科院作物研究所、长江大学粮食作物创新中心等团队在国际顶级期刊Nature杂志在线发表题为“The barley pan-genome reveals the hidden legacy of mutation breeding”的研究论文,报道了大麦泛基因组项目的最新研究成果[1]。另外,还有其他数位来自澳大利亚、加拿大、中国、德国、英国、美国和日本的科学家参与了该国际科研合作项目。这是继李承道教授团队2017年在Nature杂志发表大麦高质量基因组物理图谱[2]后的又一重大突破。大麦泛基因组资源,对大麦种质资源利用、大麦重要农艺性状形成的分子机制的理解及优质高产耐逆境的优良品种培育等方面具有深远意义。

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研究背景

大麦是全球第四大禾谷类作物,且集饲用、啤用和粮食作物于一体,在我国曾是栽培面积达一亿亩以上的重要农作物之一。2017年李承道教授参与完成的高质量大麦基因组参考序列,为大麦遗传与育种研究提供了重要支撑。由于单个参考基因组不能代表整个大麦物种遗传资源库的局限性,以及普遍存在的基因组结构变异通过普通的重测序难以准确发现等原因,构建包含多个品种的高质量基因组序列的泛基因组变得尤为迫切。

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研究结果

大麦泛基因组项目团队,通过对全球超过2万份包括地方品种和野生种的大麦种质资源进行遗传多样性分析,最终选出20个能够覆盖大部分大麦遗传多样性的品种,其中包含两个中国农家大麦品种。研究团队结合多种不同技术优势的DNA测序平台(10x Genomics、Illumina、PacBio、Hi-C),对上述选出的20个大麦品种(包括地方品种、栽培品种和一个野生品种)进行测序和组装,最终得到了20个大麦品种染色体水平的泛基因组参考序列集。

基于20个大麦品种的泛基因组参考集,研究人员对不同品种间基因组大片段插入/缺失变异(PAV)进行了鉴定,共发现了1,586,262个PAV,大小从50 bp到999,568 bp不等,并观察到低频变异的富集;同时还利用200个驯化大麦和100个野生大麦的全基因组数据进行结构变异的定量遗传分析。

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在20个组装基因组序列中,研究人员发现了丰富的大的倒位多态性(>5Mb),并详细分析了当前优质大麦中常见的两个倒位:2H的频繁倒位和7H染色体长臂远端倒位。其中,7H染色体长臂远端倒位可能是在20世纪60年代突变育种的产物;而2H染色体间质区的倒位则与涉及地理范围扩展的HvCEN基因紧密相连。

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此项研究构建的20个代表性大麦染色体水平高质量泛基因组参考集揭示了一个令人惊讶的发现,即在目前的优质大麦中,大的倒位多态性(>5 Mb)普遍存在。针对单拷贝序列,可将这种变异转化为用于群体遗传分析和关联扫描的可评分标记。

大麦泛基因组学的下一阶段工作将致力于完成构建所有大麦遗传种质资源的高质量基因组序列的长期目标。

李承道教授简介

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李承道教授是国际顶尖大麦育种专家,是大麦泛基因组和大麦基因组精细图谱两项研究的共同通讯作者和主要参与者。先后在《Nature》等国际期刊发表论文150余篇,出版著作6部,荣获西澳经济发展总理奖、2017年澳大利亚外交贸易部“中澳建交45周年的45位杰出人才”、2019年澳大利亚杰出成就农业研究卓越奖等多项荣誉。

参考文献:
[1] Jayakodi, M., Padmarasu, S., Haberer, G. et al. The barley pan-genome reveals the hidden legacy of mutation breeding. Nature (2020). 
[2] Mascher, M., Gundlach, H., Himmelbach, A. et al. A chromosome conformation capture ordered sequence of the barley genome. Nature 544, 427–433 (2017).  [3]http://profiles.murdoch.edu.au/myprofile/chengdao-li/
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