基于参考基因组揭示六倍体燕麦的起源和进化

转载自：四川农业大学校园新闻网

https://news.sicau.edu.cn/info/1135/68895.htm

北京时间7月18日23时许，我校小麦研究所彭远英教授研究团队的论文《基于参考基因组揭示六倍体燕麦的起源和进化》在国际知名学术期刊《自然·遗传学》（Nature Genetics）上在线发表，同时期刊还特别邀请论文作者撰写研究简报《栽培燕麦的起源与进化》对成果进行了推介。小麦所魏育明教授为共同通讯作者。该项研究首次破译六倍体栽培裸燕麦的基因组，并深入研究了六倍体燕麦的起源与亚基因组进化，绘制出燕麦的“基因密码图”。审稿人评价这一研究“代表了植物基因组学特别是谷物基因组学的重大进展”。该项研究将加速栽培燕麦的遗传改良和分子设计育种，对培育优良燕麦品种、提升燕麦产业竞争力、保障粮食安全将产生重要作用，可进一步满足新时代人们对营养健康食物的要求。

解码燕麦的“中国芯”

燕麦作为营养价值很高的粮、饲兼用型作物而在全球得到青睐，随着人们对营养与保健两方面需求的提高，它已成为一种日益重要的谷物品种。近年来，我国燕麦产业以年产值20%以上的增速快速发展，2021年仅燕麦籽粒消费量已接近100万吨，燕麦干饲草量约为这个的3倍。

目前，燕麦广泛分布在五大洲42个国家。世界各国的栽培种以皮燕麦为主，而我国主要种植裸燕麦。裸燕麦加工工艺更加简单，具有更高的蛋白和粗脂肪含量，且氨基酸组成更加平衡，极具研究价值。

中国作为裸燕麦的起源和种植中心，具有丰富的裸燕麦遗传多样性。此次发表的成果正是以我国裸燕麦起源中心的地方裸燕麦品种“三分三”为材料。通过对“三分三”的研究，绘制出了燕麦基因组21对染色体的分子图谱，注释出了12万个蛋白编码基因。该工作为科研人员解析燕麦基因组进化和驯化提供了高质量的基因组信息和全新视角。

“中国作为六倍体栽培裸燕麦的起源和主要种植中心，我们需要通过明确我国特有的裸燕麦的基因组信息以进一步挖掘以裸粒驯化性状为代表的基因资源。”论文第一和共同通讯作者、四川农大小麦研究所彭远英教授表示：“有了基因组图谱，我国裸燕麦的育种和遗传研究就会进入快车道。就像破解其他作物的基因密码一样，我们以后就能根据基因信息来定向培育具有特定性状、功能的裸燕麦，比如提升品种抗病性；控制种子大小，增加产量；或者让其中β-葡聚糖含量更高，帮助食用者通过摄入膳食纤维有效控制胆固醇和糖尿病。”

据了解，该研究论文主要在国家燕麦荞麦产业技术体系和国家自然科学基金的支持下，该研究工作由四川农业大学和吉林省白城市农业科学院联合中国科学院遗传与发育生物学研究所、四川大学、西昌学院、中国农业科学院和武汉希望组生物科技有限公司合作完成。四川农业大学的彭远英、颜红海、邓操，吉林省白城市农业科学院的郭来春、王春龙和四川大学王毓博为共同第一作者；吉林省白城市农业科学院任长忠研究员、中国科学院遗传与发育研究所鲁非研究员、四川大学马涛教授、四川农业大学魏育明教授和彭远英教授为共同通讯作者。

“这项研究全部由中国人自己完成。深入研究中国特有的燕麦种质资源就是希望牢牢把种质资源握在我们自己手里，让燕麦品种装上更多‘中国芯’。”彭远英说。

“中国作为裸燕麦的起源和种植中心，具有丰富的裸燕麦遗传多样性，种植历史悠久，具有独特的种质芯片竞争优势。”国家燕麦荞麦产业技术体系首席科学家任长忠研究员表示。

“千呼万唤始出来”的裸燕麦参考基因组

新世纪伊始，科学家们就将基因组测序的目标锁定到农作物身上。早在2002年水稻基因组图谱便已发表，此后玉米、马铃薯、大豆、小麦等众多主要农作物的基因组测序也相继完成。时隔20年，燕麦的基因组测序结果姗姗来迟，正是因其研究难度极大。

现有的栽培燕麦经在漫长进化过程的自然杂交和加倍，从二倍体形成四倍体最终多倍化为含有A、C和D三个基因组的六倍体，它们由约110亿个碱基对组成，分布在细胞核3个亚基因组的21对染色体中。其基因组庞大而复杂，体量约为水稻基因组的40倍，且有大约87%的基因组DNA为重复序列，致使其基因组测序组装研究非常困难。六倍体燕麦参考基因组是迄今为止科学家测序的所有物种中最复杂的基因组之一。

彭远英告诉记者：“针对六倍体燕麦亚基因组构成及其高重复序列含量导致的在基因组装中可能遇到的问题，我们设计了选用可进行更长DNA片段高精确度测序的超长测序技术，并利用近20年的燕麦属物种研究经验积累，选择了栽培燕麦最可能的四倍体和二倍体祖先，结合HiC、二代测序、全长转录组测序和转录组测序等不同技术手段，最终完成了中国裸燕麦的染色体组装、挂载和注释，获得了裸燕麦的高质量参考基因组。”

人们吃的栽培燕麦诞生在50万年前

在获得的燕麦参考基因组基础上，该研究还有一些有趣的发现。

在进一步选择了能代表燕麦属现存所有基因组类型物种，结合水稻、小麦等其它近缘属种，从全基因组层面解析燕麦在主要禾谷类作物中的进化地位和栽培燕麦的起源及多倍化历史后，研究发现燕麦属物种约在800万年前产生。而在约50万年前——人类旧石器时代，现在广泛种植和食用的六倍体栽培燕麦就通过AA基因组二倍体和CCDD基因组四倍体杂交加倍形成了。

“燕麦作为六倍体作物，它在生物量、活力和对环境变化的适应性方面均具有显著优势，在应对粮食安全挑战中可以发挥其独特作用。”彭远英表示，深入了解燕麦的进化历史将极大地促进渗透育种和将性状从燕麦最接近的现存野生亲缘转移到栽培燕麦，有力推动燕麦优良品种的选育工作。

此外，该研究根据参考基因组序列和注释信息预测了燕麦皮裸籽粒和抗病等重要性状相关的关键基因位点，体现了参考基因组在重要性状基因挖掘和燕麦分子育种方面的重要价值。彭远英的思考很长远：燕麦参考基因组的构建作为燕麦研究迈入基因组时代的第一步，将使燕麦的全基因组选择育种和精准育种成为可能。“我们现在可以开始考虑如何使用现代育种策略，如基因组编辑等方法，进一步改进和开发特定的燕麦品种，以满足全球对这种健康食品和优质饲草日益增长的需求。”彭远英表示。

接下来，该团队还将结合原有研究优势，在已有基础上进一步深入开展燕麦起源、驯化和优异基因资源发掘与利用等研究工作，期望研究结果能进一步推动燕麦的应用基础研究和育种。