遗传发育所梁承志课题组合作完成小麦A基因组序列精细图谱
2018/5/10 

2018年5月9日 (伦敦时间),国际著名学术刊物Nature (http://www.nature.com/nature)在线发表了题为“Genome sequence of the progenitor of wheat A subgenome Triticum urartu”的研究论文(https://www.nature.com/articles/s41586-018-0108-0)。该项研究完成了小麦A基因组的测序和染色体序列精细图谱的绘制,全面揭示了小麦A基因组的结构和表达特征,对深入和系统地研究麦类植物的基因组结构与功能以及进一步推动栽培小麦的遗传改良具有重要理论意义和实用价值。该项研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室,遗传发育所基因组分析平台,中国科学院种子创新研究院等合作完成。


小麦是全球最重要的粮食作物,养活了世界上40%的人口,提供了人类所需热能和蛋白质的20%。我国是世界上小麦生产和消费大国,常年种植面积为2,400万公顷左右,年产量近1.3亿吨。生产上广泛种植的普通小麦是一个经两次自然杂交而形成的异源六倍体,含有ABD三个基因组,其基因组大(约17 Gb,是水稻基因组的40倍)而复杂,85%以上基因组DNA为重复序列,致使基因组组装研究困难重重,进展缓慢。追本溯源,乌拉尔图小麦(基因组约为5 Gb)是普通小麦和其它多倍体小麦(如野生和栽培的四倍体小麦、Timopheevii  Zhukoviskyi小麦等)中A基因组的原始二倍体供体,是形成多倍体栽培小麦的核心基因组。因此,对乌拉尔图小麦基因组的解析是阐明多倍体小麦基因组的结构、功能和进化的一个关键基础。


针对这一科学难题,中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体国家重点实验室的小麦基因组研究团队与遗传发育所的梁承志课题组等合作,通过构建A基因组BAC文库和BAC测序,结合全基因组PacBio单分子测序以及最新物理图谱构建技术BioNano10x Genomics),最终完成了乌拉尔图小麦材料G1812的基因组测序和精细组装,绘制出了小麦A基因组7条染色体的序列图谱,注释出了41,507个蛋白编码基因。这是小麦基因组研究中的一个重大突破。该研究发现在小麦基因组中参与春化和开花的REM类转录因子基因有明显扩增,并鉴定出了小麦A基因组从二倍体、经四倍体到六倍体进化过程中的染色体结构变异。通过与水稻、高粱和短柄草基因组的比较和共线性分析,推演出了小麦A基因组7条染色体从禾本科共同祖先基因组起源的演化模型。研究还发现小麦基因组中的基因丢失或移动率明显高于水稻基因组。群体遗传学分析显示来自于新沃月地区的乌拉尔图小麦可分为三个亚群,其遗传多样性与海拔高度密切相关,并发现海拔高度在乌拉尔图小麦适应环境和重要性状(如白粉病抗性)形成中起到重要作用。

小麦A基因组序列精细图谱的完成,为国内外科研工作者解析小麦基因组进化和驯化提供了高质量的基因组信息和重要基础。组装的染色体序列及注释出的基因信息将助力小麦重要农艺性状基因的精细定位、克隆和功能解析,加速栽培小麦的遗传改良和分子设计育种;对提升小麦产业竞争力、保障粮食安全和农业提质增效与可持续发展等方面都将产生重要作用。该项研究由中国科学院和中华人民共和国科技部资助完成。

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