文献集锦 | 以古老作物谷子的“复兴”为例，揭示泛基因组在育种改良方面的超强辅助作用
近期，山西农业大学农学院韩渊怀教授在Plant Communications上发表了最新研究成果，以谷子为例，从育种应用、驯化启示以及基于图形的全图谱剖析等方面阐述泛基因组为“复兴”古老作物带来的机遇。
文章题目
Pan-genome brings opportunities to revitalize ancient crop foxtail millet
第一作者：Yinpei Liang
通讯作者：Yuanhuai Han
通讯单位：山西农业大学农学院
杂志：Plant Communications
影响因子：10.5/Q1
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100735
研究背景
谷子(Setaria italica)，属禾本科的一种植物。古称稷、粟，亦称粱。粟的稃壳有白、红、黄、黑、橙、紫各种颜色，俗称“粟有五彩”。广泛栽培于欧亚大陆的温带和热带，中国黄河中上游为主要栽培区，其他地区也有少量栽种。最早于11000年前被驯化，是世界上最古老的作物之一，也是亚洲农业文明发展的支柱。谷子作为一种C4光合植物，因其耐旱性好、适应性强、营养价值高等特点，越来越受到科技和工厂化农业界的重视。谷子和狗尾草(Setaria viridis)因其紧凑的二倍体基因组、丰富的遗传多样性、自花授粉、高通量转化、生命周期短和易于实验室培养而成为C4作物理想的模式系统。
在过去的半个世纪里，水稻、小麦和玉米等主要粮食作物的粮食产量大大增加，这主要是由于遗传和育种的进步，相比之下对谷子分子遗传学的了解远远不够。在过去的二十年中，作物基因组学使驯化历史的探索、功能基因的发现和分子育种成为可能。后者将传统的育种方法转变为一种更有效的基因组引导定向设计过程。尽管谷子种质资源丰富多样，但开发利用相对较少，构建谷子核心种质遗传信息资源数据库尤为关键。
研究意义
构建的泛基因组有助于深入了解野生和栽培狗尾草属植物的基因组变异，为谷子的功能基因组分析和精准育种提供宝贵的资源。基于图形的基因组序列的可用性超越了传统的单基因组参考序列，有可能捕获尚未发现的缺失遗传性，有助于禾本科植物的比较基因组研究和功能基因挖掘，对谷子种群进化、基因组结构多态性、环境适应性、驯化改良及其农艺应用等方面的系统和基础研究具有重要意义。
泛基因组变异在谷子育种中的应用及其对作物驯化改良的启示
栽培谷子一直被分为两个不同的亚群，这与它们各自的地理和气候分布以及农业传统有着密切的关系。He等人(2023)进一步将谷子品种重新划分为3个亚群，其中C1亚群和C2亚群与前期研究中的1型和2型一致。新的亚群C3广泛分布在世界各地，表明C3可能比其他两个亚群更能适应更广泛的生态环境。对谷子遗传分化亚群(如野生种和C3)中功能基因的鉴定，有可能发现特定谱系的优质基因，这些基因可以引入其他亚群中进行谷子改良。
此外，基于系统发育和种群结构分析，He等人验证了中国谷子单一起源理论。利用微核心种质构建的高质量变异图谱，鉴定出了4734个与驯化和育种改良相关的结构变异，而后鉴定出驯化改良过程中不断选择的基因680个，这些基因主要富集于繁殖过程、光周期、色素积累和氮利用等生物过程中。这些基因和SVs是狗尾草属植物驯化性状后续解释的重要突破，也是其独特广泛适应性的体现。
此外，He等人还证明了这些SVs在剖析驯化和改良的遗传基础方面的效用。通过比较基因组分析、遗传作图和基因功能验证，确定了两个关键基因Sh1(决定种子落粒性状)和SiGW3(决定籽粒重量和大小)与驯化有关。尽管这些发现令人兴奋，但许多其他基因仍有待通过对谷子泛基因组的更全面评估来发现，因为小作物多样性丰富，驯化程度通常低于主要作物，因此在主要作物中丢失的遗传变异可能会在谷子基因组中有所保留。因此，对其基因资源的开发可以促进小作物的育种，相关的优良种质资源也可以为主要作物的改良提供很大的机会。
泛基因组在谷子育种中的应用主要有四个方向：
利用在线谷子泛基因组信息数据库获取和探索基因组资源；
利用结构变异研究对谷子进行驯化和改良；
农业性状基因定位；
加速谷子育种进程。
▲谷子泛基因组及其应用
基于图形的泛基因组是一种以图的形式存储一个物种的全部遗传信息的方法，其中序列和结构的变化以节点和路径的形式显示。He等人收集了630个野生品种、829个地方品种和385个现代栽培品种的狗尾草属全基因组重测序数据，将野生种分为4个亚群(W1-W4)，栽培种分为3个遗传分化亚群(C1-C3)。110个高质量的谷子基因组序列，是谷子功能基因组分析和精准育种的重要资源。
基于图谱的基因组对基因定位和精准育种具有重要意义
目前，谷子种质资源表型和基因型的准确鉴定和评价仍处于起步阶段，大量遗传资源尚未开发，这限制了对谷子种质资源进行改良以帮助解决作物生产中关键问题的进程。对于大多数基因型和表型之间关联研究的重点都是SNPs和InDels，这意味着SVs被遗漏了，从而限制了在QTL克隆或GWAS中对整个遗传变异的捕获和对因果变异的精确定位。
He等利用11年来积累的226组高质量表型数据，利用SNP-和SV-GWAS共鉴定出1084个与表型显著相关的信号，并证明引入SVs可以显著提高表型预测的准确性。利用680份谷子材料的数据，他们对13个不同地理位置的68个性状进行了GWAS和基因组选择(GS)，每个地理位置的气候条件都不同。在每组表型中鉴定出约1000个高效遗传标记(SNP/SV)，建立了基于图的谷子泛基因组GS最优育种方法，进一步评价了产量和品质相关性状的潜在育种价值。这些标记对于谷子等小作物具有重要意义。短期内，育种者可以直接利用这些资源来加速不同气候条件下的作物改良。
一般情况下，GWAS需要200个以上的遗传序列，但He等人的研究表明，只要群体保证足够的遗传多样性，即使是110个遗传序列也可以达到较高的GWAS精度。研究印证了泛基因组变异在通过分子标记辅助育种、GS和基因组编辑指导和加速作物改良方面发挥的关键作用。
植物基因组学正在迈入基于全基因家族超级图谱的泛基因组时代
剖析狗尾草属植物驯化及其广泛的气候适应的遗传变异全图谱以及基因组多样性的作用，对理解谷子的进化至关重要。通过分析超泛基因组统一基因组特征，可以研究不同物种或种群间基因的功能和进化。了解驯化事件如何塑造不同物种的现有基因组，将有助于为未来作物的遗传改良和种质资源保护制定强有力的策略。基于图谱的基因组可以存储和显示同一物种中不同个体的遗传变异信息，从而使遗传信息更易获取，它的出现解决了线性基因组无法有效识别大片段插入、删除、拷贝数等变异类型的问题，且其在调用所有类型的变异方面明显优于经典线性基因组参考组合(包括SVs、SNPs和InDels)。
这为作物改良、基因育种、物种进化等方面的研究提供了更大的动力，对作物品种的影响尤其大，因为作物改良在很大程度上取决于对基因库内遗传多样性的了解及对农艺性状的影响。同时，构建广泛的植物泛基因组能够帮助科研人员了解常见的和特定的驯化模式，从而促进改良现有作物和通过从头驯化创造新作物，以满足人口增长和气候变化的需求。
虽然基于图谱的基因组已经可以存储多个SVs，但目前还不能整合如反向复制和易位这类相对复杂的SVs。首先，为了将所有类型的遗传变异完全整合到一个基于图形的基因组中，需要开发更有效的工具和算法；其次，目前大多数生物信息学工具仅适用于线性参考基因组，所有基于图的泛基因组上下游分析都需要开发更强的SVs检测工具。
韩渊怀
山西农业大学农学院教授、博士生导师，农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室特聘研究员、农业生物工程研究所所长、山西省首批131领军人才、山西省学术技术带头人、山西省新兴产业领军人才。自2010年回国以来,组建杂粮分子育种团队，倡导“学以事人、教以授道、研以惠民”。主要从事谷子等杂粮食味品质与特色功能成分形成机理、氮磷吸收与转运、抗旱与抗病研究,开展谷子、苦荞、糜子、高粱等杂粮作物基因资源发掘、种质创新及分子育种。
研究方向
1. 作物基因资源发掘与利用(谷子等杂粮)
2. 植物基因调控机理(谷子等杂粮)
3. 作物分子育种(谷子等杂粮)
4. 作物抗逆分子机理 (抗旱、抗病等)
