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谷子全基因组测序登Nature子刊

作者: 来源:Nature Biotechnology 2018-03-07 我要评论( )

来自深圳华大基因研究院,张家口市农业科学院,丹麦哥本哈根大学的研究人员发表最新完成了一种植物:谷子(foxtail millet,学名Setaria italica)的全基因组测序,谷是目前种植第二

谷子全基因组测序登Nature子刊

来自深圳华大基因研究院,张家口市农业科学院,丹麦哥本哈根大学的研究人员发表了题为“Genome sequence of foxtail millet (Setaria italica) provides insights into grass evolution and biofuel potential”的文章,最新完成了一种植物:谷子(foxtail millet,学名Setaria italica)的全基因组测序,谷是目前种植第二广泛的粟类物种,这项研究为提高谷类粮食遗传性状提供了宝贵的资源。相关成果公布在5月13日Nature Biotechnology杂志上,目前这一论文免费开放。

文章的通讯作者分别是深圳华大基因的汪建和王俊两位研究员,以及张家口市农业科学院的赵治海研究员。第一作者为华大基因研究院副院长张耕耘研究员等人,张耕耘表示,“这一全基因组序列的解析,是揭示作物遗传调控奥秘的关键步骤,也是生物学研究和育种的一个重要平台。”

谷子基因组

谷子又称为粟,去壳后称为小米。谷子起源于我国,已有7000年栽培历史,是传统的优势作物、主食作物、抗旱耐瘠作物,在中华悠久的文明史上发挥了重要作用。然而,谷子的主产区多为干旱少雨的贫困地区,产量低一直是困扰谷子生产的最大难题。在一些山区、半山区只能以种谷为生的农民们,祖祖辈辈种着亩产不足70公斤的谷子,苦苦地挣扎在贫困线上。

“传统品种的低产量极大的限制了谷子的种植和利用”,张耕耘说,“张家口市农业科学院的赵治海研究员近年来培育出了杂家品种,将谷子的产量提高了一倍。我希望这项研究成果能作为一个范例——应用基因组序列,更好的理解,更快的培育出之前被忽视的农作物,具有更高产量的,质量更好,耐受性更强的新品种。”

在这项研究中,研究人员利用新一代测序技术,对一种国内北部谷子品系:张谷(Zhang gu)进行了从头测序(de novo asseMBLy),获得了大小约为423Mb(N50达到了1.0Mb),包含38,801个蛋白编码基因的全基因组序列,这些基因预测超过81%已经表达。通过基因组注释和分析发现,谷子基因组中的重复序列约占整个基因组的46%。

除此之外,研究人员还对另一谷子品系A2进行了重测序——A2是一种广泛使用的谷子杂交雌株品系,利用这两个品系亲本F2代群体,完成了高密度遗传连锁图谱。

基因组数据分析比对

通过将谷子基因组与水稻基因组进行比对,研究人员发现了谷子染色体的进化规律和变化趋势,这对于了解这一农作物的进化具有重要意义。“我们发现九种谷子染色体是在三个染色体重组事件后形成的”,张耕耘说,“这三个事件,其中两个出现在谷子从水稻分化之后,接下来在谷子从高粱分化之后,又出现了一次染色体重排。”

相比于C3植物(如水稻和小麦),C4植物具有更高的水分利用效率和光合效率,以及抗旱能力。谷子就是一种二倍体C4植物,利用其基因组序列数据,研究人员能更全面的分析C4光合作用途径的几种关键基因,结果他们发现在C4碳固定途径中出现的基因,也出现在了C3植物中,因此研究人员推测C4途径可能是由于调控表达的差异所引起的功能上的改变导致的。

谷子基因组序列的绘制完成,有利于分析作物数量性状位点,在这项研究中,研究人员就利用谷子基因组帮助鉴定了抗除草剂基因,并且精确识别出了抗稀禾定性状相关的基因,印证了之前研究表明的一个单核苷酸突变位点(SNP)可能是导致植株对稀禾定敏感性发生改变的结论。

测序方法

这项研究采用了全基因组鸟枪法-新一代测序方法,来组装绘制这一基因组图谱。测序采用的是Illumina第二代测序仪(Illumina Genome Analyzer II以及HiSeq 2000,分别负责短插入片段文库和长插入片段文库 ),数据过滤后,研究人员将约40Gb的数据呈递给SOAPdenovo。

原文摘要:

Genome sequence of foxtail millet (Setaria italica) provides insights into grass evolution and biofuel potential

Foxtail millet (Setaria italica), a member of the Poaceae grass family, is an important food and fodder crop in arid regions and has potential for use as a C4 biofuel. It is a model system for other biofuel grasses, including switchgrass and pearl millet. We produced a draft genome (~423 Mb) anchored onto nine chromosomes and annotated 38,801 genes. Key chromosome reshuffling events were detected through collinearity identification between foxtail millet, rice and sorghum including two reshuffling events fusing rice chromosomes 7 and 9, 3 and 10 to foxtail millet chromosomes 2 and 9, respectively, that occurred after the divergence of foxtail millet and rice, and a single reshuffling event fusing rice chromosome 5 and 12 to foxtail millet chromosome 3 that occurred after the divergence of millet and sorghum. Rearrangements in the C4 photosynthesis pathway were also identified.

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