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【圓通香港】我校水稻分子設計育種團隊揭示亞洲栽培稻基因功能單倍型自然變異特徵

時間:2021-02-24 來源: 作者: 點擊:

本網訊 近日,農學院講席教授黎志康團隊和中國農業科學院作物科學研究所徐建龍研究員團隊在Molecular Plant發表了題為“The landscape of gene-CDS-haplotype diversity in rice (Oryza sativa L.): properties, population organization, footprints of domestication and breeding, and implications in genetic improvement”的研究論文。該研究首次全面揭示了亞洲栽培稻基因功能單倍型在水稻核心種質中的自然變異特徵


水稻種內極為豐富的遺傳變異是遺傳改良的基礎。2018年,中國農業科學院作物科學研究所牽頭安徽農業大學等多家單位完成了“3000份水稻基因組計劃”(Wang, et al. Nature),揭示了水稻核心種質的基因組多樣性。然而,作為水稻種內遺傳多樣性最重要的方面—基因編碼區(CDS)的功能單倍型在水稻種質資源中的變異特徵尚不清晰。

為了使“3000份水稻基因組計劃”的研究成果儘快用於推進全球水稻功能基因組和分子設計育種研究,農學院講席教授黎志康研究員領導的水稻分子設計育種團隊和中國農業科學院作物科學研究所徐建龍研究員團隊以日本晴為參考基因組,基於3000份水稻核心種質CDS區的非同義SNP數據,構建了45963個水稻基因組成的全基因組基因功能單倍型(gcHap)數據集並進行了深入分析,獲得了以下幾方面重要結果:

第一、亞洲栽培稻種內存在極為豐富的功能等位基因自然變異,表現為超過1040萬個功能等位基因(平均每個基因226個);第二、依據大多數功能等位基因表現的羣體特異性,進一步提出亞洲栽培稻的多起源假説;第三、與地方品種相比,現代品種中功能等位基因多樣性普遍增加,秈稻和粳稻中平均每個基因上丟失超過50%的稀有等位基因,大多數為自然選擇所偏愛的優勢等位基因並不為現代育種的人工選擇所鍾愛;第四、分別基於SNP和gcHap數據在模擬試驗和24個農藝性狀上的全基因組關聯分析發現,gcHap數據在檢測控制複雜性狀基因上有更大的功效(在多數性狀上具有更高的預測力),開發了適用於gcHap數據全基因組關聯分析和全基因組預測的軟件包“HAPS”。

作為第一個全方位揭示物種內功能等位基因多樣性的研究,該研究結果對其他物種的羣體基因組、功能基因組和設計育種研究有三方面的啓示。第一、動物(豬、雞、狗等)和異花授粉的植物(如玉米等)中的基因功能等位基因變異應更為豐富,有待於揭示;第二、剖析不同主要功能等位基因的功能(包括表型)差異應該是功能基因組研究的重要方面,有待加強;第三、 如何高效地挖掘和利用物種內的有利功能等位基因將是未來設計育種尤其是複雜性狀分子改良成功與否的關鍵。

農學院水稻分子設計育種團隊成員中國農業科學院作物科學研究所張帆副研究員、王春超助理研究員、農學院黎珉副教授和河北農業大學農學院崔彥茹副教授為論文共同第一作者;農學院講席教授,水稻分子設計育種團隊PI黎志康研究員和中國農業科學院作物科學研究所徐建龍研究員為共同通訊作者。農學院石英堯副教授、中國農業科學院作物科學研究所已畢業博士研究生吳志超(本科為農學院2009級種子科學與工程專業)、中國農業科學院作物科學研究所王文生研究員(團隊成員)以及美國加州大學伯克利分校胡智強博士也參與了本研究。本研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和安徽農業大學引進高層次人才項目(RC311901)等的資助。(通訊員:仇飛)

原文鏈接://doi.org/10.1016/j.molp.2021.02.003