張喆 四川在線記者 江蕓涵
四川在線記者3月6日從四川農(nóng)業(yè)大學(xué)獲悉，該校草業(yè)科技學(xué)院黃琳凱教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然遺傳學(xué)》（Nature Genetics）在線發(fā)表了題為“Pangenomics identifies structural variation associated with heat tolerance in pearl millet”（美洲狼尾草泛基因組構(gòu)建、結(jié)構(gòu)變異挖掘及耐熱機(jī)制解析）的研究成果。
這是我國(guó)牧草領(lǐng)域首篇發(fā)表在《自然遺傳學(xué)》上的論文。該研究構(gòu)建了首個(gè)美洲狼尾草圖形泛基因組，也是全球首個(gè)牧草領(lǐng)域圖形泛基因組，將為牧草基因資源挖掘及育種提供重要資源。該研究還揭示了狼尾草耐熱的分子機(jī)制，將為相關(guān)物種如玉米、小麥和水稻的耐熱研究提供重要信息，在保障糧食安全、應(yīng)對(duì)全球氣候變暖等方面發(fā)揮重要作用。
一棵小草關(guān)系國(guó)家糧食安全
美洲狼尾草，又名珍珠粟，全球種植面積約達(dá)3100萬(wàn)公頃。在我國(guó)，它是重要的飼草，是草食家畜和食草淡水魚(yú)類(lèi)的優(yōu)質(zhì)飼料和青料，其作為親本的雜交狼尾草，目前在南方各省普遍種植，是單產(chǎn)最高的多年生牧草之一。
美洲狼尾草。隨著人民生活水平不斷提高，我國(guó)牛羊肉、牛奶等草畜產(chǎn)品消費(fèi)大幅增加。作為畜牧業(yè)的重要基礎(chǔ)，牧草的需求量也相應(yīng)地大幅增加。然而，我國(guó)牧草產(chǎn)業(yè)發(fā)展遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，每年需要從國(guó)外大量進(jìn)口草種和干草，才能滿足需求。由于牧草嚴(yán)重短缺，有的地方甚至出現(xiàn)了把灌漿期小麥用作青貯飼料的極端現(xiàn)象。
如何用科技引領(lǐng)牧草產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是黃琳凱教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究的領(lǐng)域。由于牧草基因組大、重復(fù)序列及雜合度都較高，增加了基因組序列構(gòu)建的難度。2019年，該團(tuán)隊(duì)首次公布了鴨茅的高質(zhì)量參考基因組，是我國(guó)公布的首個(gè)牧草參考基因組。隨著研究的深入以及技術(shù)的進(jìn)步，構(gòu)建高質(zhì)量的圖形泛基因組成為團(tuán)隊(duì)的重要目標(biāo)。
“與參考基因組相比，圖形泛基因組包含的遺傳信息更全面，通過(guò)發(fā)掘結(jié)構(gòu)變異，能夠更好地解析植物表型和農(nóng)藝性狀的不同，為下一步育種奠定重要的研究基礎(chǔ)。”黃琳凱介紹。
利于培育突破性牧草優(yōu)良品種
通過(guò)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家單位，本次研究從全球8個(gè)地區(qū)收集的394份美洲狼尾草核心種質(zhì)中選取10份代表性材料，利用Pacbio HiFi等技術(shù)進(jìn)行基因組從頭組裝，獲得了高質(zhì)量的基因組組裝序列，結(jié)合一個(gè)已報(bào)道的基因組構(gòu)建了首個(gè)美洲狼尾草圖形泛基因組，發(fā)掘到424，085個(gè)結(jié)構(gòu)變異。基于泛基因組圖譜進(jìn)行的全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了143個(gè)重要農(nóng)藝性狀相關(guān)聯(lián)的變異位點(diǎn)，并挖掘到與產(chǎn)量性狀相關(guān)的候選基因446個(gè)。
“有了這些成果，我們就可以加速攻關(guān)牧草業(yè)各環(huán)節(jié)‘卡脖子’技術(shù)，培育突破性牧草優(yōu)良品種，助力提升優(yōu)質(zhì)安全食物的供給保障能力，避免‘人畜爭(zhēng)糧’，為保衛(wèi)國(guó)家糧食安全貢獻(xiàn)草業(yè)人的力量。”黃琳凱說(shuō)。
耐熱基因助力應(yīng)對(duì)全球變暖
當(dāng)前，全球氣候變暖已成為限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，嚴(yán)重威脅世界糧食安全。解析植物的耐熱機(jī)制，從而改良植物耐熱性，培育耐高溫的農(nóng)作物是目前最重要的育種目標(biāo)之一。
起源于非洲的美洲狼尾草，能夠適應(yīng)極端高溫的氣候，是研究植物耐熱機(jī)制的優(yōu)良材料。本次研究通過(guò)對(duì)水稻、玉米、高粱等多個(gè)物種進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)美洲狼尾草中擴(kuò)張的RWP-RK轉(zhuǎn)錄因子家族和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)基因協(xié)同參與耐熱性調(diào)控，挖掘并驗(yàn)證到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變異和調(diào)控候選基因3個(gè)，其中基因PMF0G00024.1（RWP-RK）在水稻中過(guò)表達(dá)也顯著提高了耐熱性，將為分子育種提供重要靶點(diǎn)。
黃琳凱教授（中）、孫敏博士（左）、靳雅榮博士（右）在實(shí)驗(yàn)室搞研究。（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)供圖）
