近日，中國農業大學玉米生物育種全國重點實驗室、國家玉米改良中心宋偉彬團隊在Nature Genetics雜志上發表題為“Genomic variation in weedy and cultivated broomcorn millet accessions uncovers the genetic architecture of agronomic traits”的研究成果。
玉米，作為大陸的第一大糧食作物，對于保障國家糧食安全具有至關重要的意義。長期的人工選擇造成了優良等位基因的缺失，導緻種質基礎趨于狹窄，嚴重限制了玉米育種創新。是以，開展玉米近緣物種組學研究，通過比較基因組學技術手段挖掘玉米近緣種特有、特優基因資源并應用于玉米育種，對玉米種質基礎的拓展具有重要的理論和實踐指導意義。玉米近緣種黍稷起源于中國而且是最為古老的農作物之一，具有生育期短、耐旱耐瘠薄、适應鹽堿脅迫等特點，暗示着黍稷基因組中蘊藏着豐富的優異基因資源。宋偉彬前期與合作者組裝了黍稷（隴糜4号）基因組，共注釋出63,671個編碼基因，進一步與玉米自交系Mo17（39,756個編碼基因）的比較基因組學分析發現，63,671個編碼基因中11521個是黍稷特有（Nature Communications, 2019）；為了從11,521個黍稷特有基因中發掘出與農藝性狀和育種選擇相關的基因，團隊開展了育種過程中黍稷基因組變異圖譜建構工作。
該研究團隊系統地完成了中國野生黍稷種質資源的收集和基因資源挖掘工作。團隊從内蒙古、陝西、甘肅、遼甯、吉林、河北、山西、甯夏、黑龍江的等10個省份的路邊、丘陵、山地、農田等地收集了967份野生黍稷，結合937份栽培黍稷組成了一個1,904份的黍稷大群體。利用雙末端150 bp測序獲得黍稷群體的全基因組重測序資料，産生了65.1 Tb的資料，平均基因組覆寫度為40.3倍。根據基因組覆寫度和IBS，對野生黍稷和栽培黍稷進行篩選，過濾低覆寫度和遺傳背景相似的品種。最後保留了1,094份黍稷進行後續分析，包含316份野生黍稷和778份栽培黍稷（圖1）。
圖1 黍稷群體的地理分布及進化樹
研究人員利用鑒定的5,603,840個SNPs解析了黍稷的群體結構，将黍稷群體分為四個亞群：LR（Liao River，遼河野生黍稷亞群）、YY（Yin Mountain and Yan Mountain，陰山-燕山野生黍稷亞群）、LP（Loess Plateau，黃土高原野生黍稷亞群）、Cultivated（栽培黍稷亞群），發現野生黍稷和栽培黍稷具有明顯的遺傳差異。進一步分析發現，黃土高原野生黍稷亞群與栽培黍稷分化時間最為接近（4,600年前），這與考古學的時間相吻合，也證明了現代栽培黍稷起源于黃土高原地區的單一起源理論，為黍稷的起源中心提供了理論支援。這些結果填補了中國黍稷遺傳多樣性研究的空白，并明确了現代栽培黍稷在中國的精确起源地裡位置，有助于我們更加全面地了解中國黍稷的遺傳特征、起源及其與栽培黍稷的關系（圖2）。
圖2 黍稷群體的群體結構分析
分析發現，在馴化過程中黍稷基因組不僅發生了單核苷酸變異和小片段的序列變異，也存在大片段的結構變異。每個野生黍稷材料平均含有1,431個SVs，每個栽培黍稷平均含有538個SVs，每個野生黍稷的SVs數量接近是栽培黍稷的3倍。為了分析SVs在馴化過程中的動态變化，該研究分析了SVs和TE的關系。發現SVs主要發生在Gypsy類型的TE上，另外Gypsy類型的SVs在黍稷馴化過程中受到選擇，可能在馴化過程中發揮重要作用。為了探究SVs對基因的影響，分析了SVs和基因的位置關系，結果顯示結構變異使基因組10%的基因為PAV。其中，栽培黍稷特有2,149個PAV基因，野生黍稷特有2,892個PAV基因，這些基因更多表現在影響植株的抗性和馴化性狀。比如，栽培黍稷群體中的一個長度為41 kb的deletion引起影響籽粒大小基因PmTGW6的缺失、另外一個長度為10.3 kb的deletion引起影響落粒性基因PmSh1的缺失（圖3）。
圖3 野生黍稷和栽培黍稷的結構變異
為了鑒定與産量相關的QTL位點，研究人員利用鑒定到的SNPs、Indels、SVs對12個農藝性狀進行全基因組關聯分析，并鑒定到186個QTL。其中與籽粒大小顯著關聯的PmGW8外顯子上的T堿基缺失導緻該基因發生移碼突變，并且該基因在黍稷馴化過程中受到了強烈的選擇；鑒定到兩個與抽穗期顯著關聯的基因PmFT和PmPRR37，通過在拟南芥中過表達驗證了PmFT能夠正向調控花期，可以顯著縮短開花時間；鑒定到了與株高顯著關聯的水稻sd1-1的同源基因Pmsd1基因，并且通過在黍稷中敲除Pmsd1，證明了Pmsd1參與了調控黍稷的株高和總穗長。綜合分析發現，野生黍稷能鑒定更多籽粒相關的QTL，暗示着野生黍稷資源在黍稷籽粒性狀的改良育種過程中可發揮重要作用（圖4）。
圖4 黍稷株高GWAS候選基因Pmsd1的鑒定與驗證
野生黍稷和栽培黍稷在大陸北方地區具有廣泛的分布，因而需要适應不同的生态和地理環境。開花期是植物适應當地環境的重要性狀，解析花期的分子進化機制是了解黍稷适應性的關鍵。研究人員利用鑒定到的兩個抽穗期QTL，qHD2和qHD5來探究野生黍稷和栽培黍稷的适應機制。結果表明野生黍稷通過選擇qHD5的不同單倍型調節生長周期來适應不同緯度的環境，栽培黍稷通過選擇qHD2的早花單倍型來适應高緯度的光周期條件（圖5）。
圖5 野生黍稷和栽培黍稷的平行适應
中國農業大學玉米生物育種全國重點實驗室、國家玉米改良中心、農學院宋偉彬教授為該論文通訊作者。中國農業大學博士生陸瓊、中國農業大學農學院、分子設計育種前沿科學中心趙海楠研究員、博士生張政權、博士生白雨禾、中國農業大學趙海銘副教授、河北省農科院劉國慶研究員為該論文共同第一作者。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01718-6
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