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全球首個青稞基因組圖譜發布,將助力于高原作物的適應性機制研究
2015年01月13日  

西藏是世界大麥馴化和青稞多樣化品種栽培中心之一。青稞,在植物分類學上是大麥的一個變種---裸大麥,但是在藏語中稱為“乃”,和其他大麥不同,青稞經過藏族人民長達3500~4000年的馴化栽培,已經完全適應了極端高原氣候、富含了濃郁民族文化、具有了特殊農藝和品質性狀的糧食作物。千百年來,青稞是藏族人民在青藏高原上生活的主食—糌粑和飲品—青稞酒的唯一原料。現在,隨著青稞加工業的發展,已經成為青稞餅干、青稞酥、青稞面片、青稞紅曲酒、青稞醋以及青稞白酒等的重要原料。據悉,青稞種植面積占西藏糧食播種面積的70%以上,特別是在高海拔地區青稞種植面積比重更大。大米和小麥可以從內地大量調運,但是青稞作為糧食作物在西藏具有不可替代性,因此,在保障西藏糧食安全中占有重要的戰略地位。

為培育高產優質青稞品種,揭示青稞的高原適應性機制,解讀其起源、馴化及栽培選育過程,在西藏自治區財政廳專項和自治區科技廳項目支持下,西藏自治區農牧科學院,包括其下屬農業研究所、省部共建西藏青稞種質改良和牦牛繁育國家重點實驗室培育基地和藏區青稞生物學與遺傳育種重點實驗,中國科學院成都生物研究所、深圳華大基因研究院、華大科技、中國農科院作物所等在內的眾多研究單位,于2012年正式啟動了青稞基因組研究合作項目。2015年1月12日,全球首個青稞基因組圖譜正式繪制成功,其研究成果在線發表在PANS(http://www.pnas.org/content/early/2015/01/09/1423628112)雜志上。該研究對西藏青稞地方古老品種“拉薩鉤芒”(Lasa Garma-guri )進行了全基因組測序及圖譜繪制,獲得了大小為3.89Gb的基因圖譜,共包含36,151個蛋白編碼基因。這是繼小麥基因組(A,D),大麥基因組物理圖,國際小麥家族基因組研究工作的又一個里程碑式的進步,給未來麥類作物的改良以及其他高原作物的研究工作提供了寶貴的參考資料。

研究采用全基因組鳥槍法測序,對西藏的地方品種古老的青稞“拉薩鉤芒”(Lasa Garma-guri )進行了全方位解讀。據估計,青稞基因組大小約為4.5Gb,本次研究所構建的青稞基因組圖譜大小為3.89Gb,共占青稞基因組的87%,包含了39,197個蛋白編碼基因。隨后,研究人員將青稞基因組和其他的禾本科作物基因組進行了比對,結果發現青稞約于1700萬年前從粗山羊草(小麥D),烏拉爾圖小麥(小麥A)以及冬小麥中分離出來。研究人員進一步分析發現,現代青稞基因組中仍然有大量的序列同粗山羊草(小麥D),烏拉爾圖小麥(小麥A)和短柄二葉草相似,其相似基因家庭數目高達18,849個。

通過對10株野生和栽培青稞品種重測序,研究人員發現,野生青稞品種的SNP數目是栽培青稞的2倍,這說明人工選育過程給青稞品種帶來了基因瓶頸。而對于人們最感興趣的,青稞的高原適應性機制問題,研究人員也做了專門的研究,并發現了一系列在青稞品種中發生了正向選擇的基因家族。如,調節轉錄過程的基因家族,激活轉錄因子的基因家庭,防御反應相關的基因家庭等都得到了大量的擴張,這些基因家族的擴張使得青稞在面對高原的惡劣環境時具有更大的調節彈性,從而具有更好的適應性。此外,研究人員還觀察到,一些調節信號通路的關鍵基因,如參與植物荷爾蒙信號傳導,基因復制和修復,植物病菌反應等,都在青稞中表現出了正向選擇。這些基因改變使得青稞具有更好的高原適應性和壓力調節機制。這些結果的發現對于解讀高原作物的適應性機制意義重大,給未來青稞作物以及其他高原作物的培育提供了重要的參考資料,將有助于解決青藏高原以及其他高原地區人民的糧食問題,改善他們的生活條件。

西藏自治區農牧科學院青稞基因組項目負責人,尼瑪扎西副院長表示,青稞是青藏高原的特色物種,對環境的高度適應使其進化出不同于其他麥族生物的生物學特性,對青稞基因組的解讀不但幫我們更好的解析了該物種的高原適應性的分子機制,并為后續的功能研究以及產量和品質的改良奠定了良好的基礎。

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