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      西北農林科技大學在國際小麥基因組測序中取得重大成果

      時間:2019年09月01日 18:20 作者: 來源:西北農林科技大學

      近日,西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室教授宋衛寧研究團隊在植物科學領域權威期刊 Plant Biotechnology Journal(中科院一區,影響因子為6.84)上發表了題為“The improved assembly of 7DL chromosome provides insight into the structure and evolution of bread wheat”的研究論文。

      該論文在小麥參考基因組IWGSCv1.1版本基礎上,利用BAC克隆測序及PacBIO三代測序技術,對小麥7DL染色體的參考序列進行了補洞(gap closure)和改進,填補了7DL上66%的gap序列,提高了7DL組裝的準確性和完整性;在此基礎上,利用改進后的小麥7DL序列與其祖先種節節麥的7DL進行了全面的比較基因組學分析,從7DL的視角揭示了小麥的馴化過程中基因組結構和序列層面的變化,為解析小麥基因組的演化及其遺傳改良提供了重要的參考數據。

      小麥是全世界最重要的糧食作物之一,其年均種植面積約占全世界總耕作面積的17%,年產量超過6.2億噸,提供了全世界約20%的糧食消耗(FAO, 2018)。同時,小麥基因組也是植物界最復雜、最龐大的基因組之一。2018年8月,國際小麥基因組測序磋商組織(IWGSC)協調全世界20多個國家60余個實驗室的近200位科學家共同完成了普通六倍體小麥全基因組的破譯工作。這是小麥基礎研究領域具有標志性意義的重大突破,也是復雜基因組測序研究的里程碑,相關研究入選了兩院院士評的“2018年世界十大科技進展新聞”。但是,大多數現有的植物基因組的組裝都存在許多gap,獲得完整的基因組仍然是一個挑戰,尤其對于重復序列高、基因組龐大的復雜基因組來說。小麥參考基因組序列同樣存在大量的gap和拼接錯誤(Chimera)。據統計,小麥參考基因組IWGSCV1.1版本中有527,170個gaps,序列總長超過409Mbs,其中在7DL染色體上有12,114個gap,總長度約5.7Mb。

      宋衛寧團隊作為中國唯一加入國際小麥基因組測序磋商組織并承擔實質性研究工作的團隊,前期完成了7DL染色體物理圖譜構建及參考序列測定工作。在此基礎上,以所承擔的7DL染色體為對象,進一步開展了小麥參考序列的改進和完善工作,首選對挑選的3286 MTP側翼 BAC克?。╯ingletonBACs)進行了測序,并對7DL染色體DNA進行了100倍覆蓋度PacBio測序,進一步結合公共數據庫中的小麥三代測序數據以及v1.0中為錨定的序列,對7DL染色體的gap序列進行了填補和改進,最后進行人工校正,最終填補了8,043個gaps(占總gaps數的66%),序列長度達3,491,264bp,顯著提高了小麥7DL染色體組裝的完整性,為小麥7DL染色體基因組的序列注釋、單倍型分析和GWAS等研究提供更加準確的參考基因組序列信息。這是小麥測序聯盟中,首個完成參考序列改進和升級的染色體,為小麥其他染色體參考序列的改進提高了借鑒和參考,也為小麥全基因組組裝和注釋的升級(v2.0)奠定了基礎。

      在此基礎上,對改進后小麥7DL染色體序列與小麥D組供體節節麥(Ae. tauschii)7DL進行了比較分析。在基因組結構層面,二者的共線性關系較強,僅在染色體遠端區域有少量的重排。相對于節節麥7DL,在小麥7DL上檢測到53個基因發生了丟失,進一步分析發現丟失基因顯著富集于植物病原互作通路,其中有12個丟失基因是RGA基因,說明在小麥多倍化過程中,抗病相關基因存在嚴重丟失現象。同時,還鑒定到了86個正選擇基因,它們顯著富集在細胞骨架蛋白合成和代謝途徑,特別是在氧化磷酸化和苯丙醇類生物合成途徑,這些基因可能在小麥的馴化與遺傳改良過程中發揮了重要作用,是重要的馴化相關候選基因。最后,結合全基因組關聯分析(GWAS)發現和小麥籽粒形態(重要馴化性狀)相關QTL定位在7DL上Xgwm437 和wmc630.1區間,同時推測位于該區域內的正選擇基因Traescs7d02g321000可能是馴化性狀的關鍵候選基因。

      這是宋衛寧團隊繼2018年協同完成六倍體小麥全基因組序列破譯(Science,2018)以及2019年發布世界首個大規模小麥全基因組重測序研究(Genome Biology, 2019)結果之后,在小麥基因組學領域取得的又一項重要成果,對推動該校小麥基礎研究的深入,促進相關學科的發展,提高我國在小麥基礎研究領域的話語權與影響力具有重要意義。

      該項工作由該校聯合加州大學戴維斯分校、澳大利亞默多克大學、澳大利亞西澳大學、捷克科學院植物研究所以及華大基因等10余家單位共同完成,該校博士生馮克偉、崔立操、加州大學戴維斯分校博士后王樂以及華大基因山黛為共同第一作者。該校副教授聶小軍、教授康振生和教授宋衛寧以及西澳大學教授David Edwards和默多克大學教授Rudi Appel為共同通訊作者,該校農學院和旱區作物逆境生物學國家重點實驗室為第一完成單位。

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