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攻克世界级难题 我科学家破译栽培种花生基因组

2019-06-11 08:23 来源:科技日报

  花生因有助于延年益寿而被誉为“长生果”,如何让其更具有滋养补益之效呢?全世界有106个国家种植花生,每年种植面积达2500万公顷,科学研究能否促使花生产业更上一层楼?这些问题在最近一项研究成果中得到了解答。

  日前,福建农林大学召开发布会宣布,由该校庄伟建教授领衔的科研团队,在国际上首次破译了四倍体栽培种花生全基因组,奠定了我国在栽培种花生基因组、花生物种起源与分子育种研究等方面的国际领先地位,相关成果在线发表于国际学术权威刊物《自然·遗传学》上。

  “长生果”基因组之谜难破译

  花生是世界上重要的油食兼用作物和第二大植物蛋白质来源,花生籽仁含有80%左右的脂肪和蛋白质,富含不饱和脂肪酸、白藜芦醇、叶酸、膳食纤维,其中高油酸种子可预防人类心血管疾病,成为花生品质育种和产业发展的关键。

  中国花生单产、总产和消费量均居于世界首位。在当前我国每年人均消费进口油籽达50多公斤、食用植物油2/3依赖进口的严峻形势下,高油酸花生的出现,使得花生产业面临极其广阔的发展前景。

  不过,尽管花生如此重要,花生栽培种基因组的破译却一直是世界性难题。近10多年来,国际上积极开展花生的基因组研究,但一直未能取得突破性进展,影响了花生学科发展和品种遗传改良进程,也使花生的基础生物学研究远远落后于重要性相当的其他农作物。

  “这是因为花生属有近80个物种,却只有一个栽培种,其基因组大、重复序列比例高、组装难度大。”庄伟建向科技日报记者解释道,同时,花生的基础生物学研究、重要基因精细定位与功能鉴定、分子遗传育种和生物技术研究落后,也长期影响了产业发展。

  为攻克这一世界级的技术难题,推动花生基础生物学研究的发展,福建农林大学在10余年研究的基础上,牵头联合印度国际半干旱热带作物研究所、华北理工大学、美国佛罗里达大学等23个单位的优秀科技人才组成研究团队,于2016年启动了栽培种花生基因组研究。

  2017年,该研究团队在国际上率先完成并公布了高质量栽培种花生全基因组序列和精细结构框架,并精确注释到无冗余等位基因水平,进而全面系统地解析了花生一系列的生物学问题。

  联合攻下世界级技术难题

  为破译栽培种花生的基因组,研究团队利用具有全国70%育成品种血缘的“狮头企”为材料,利用三代单分子测序技术、染色体构象捕获技术和超高密度遗传图谱,以及其他生物信息学、遗传学、功能基因组学等手段,突破复杂基因组组装的困难,获得了高质量的重叠群,基因组支架组装总长达到花生基因组总长的94.1%,进而精确组装到20条染色体水平的高质量四倍体花生基因组。

  “这是世界上首个完成花生全基因组测序和染色体精细结构框架注释的花生基因组,序列错误率和序列覆盖深度评价达到高质量水平,并经国内外专家、院士评审为多倍体大基因组植物国际领先。”庄伟建介绍,团队还首次精确注释了四倍体栽培种花生的编码基因和无冗余同源基因。

  研究人员用创新技术确定花生有30596个无冗余等位性同源基因对和27913个重复基因。“这些同源基因对应着普遍存在的表达显性现象,大多分布在B亚基因组,说明栽培花生的生物学性状更多起源于B基因组基因。”庄伟建告诉记者,这些发现为准确研究基因功能、表达、剂量效应和遗传模式奠定了坚实基础。

  在首次高质量破译了四倍体栽培种花生的全基因组基础上,研究团队全面揭示了花生及其他豆科物的染色体起源、核型进化和栽培种花生基因组结构变异,全面解析了花生种子大小、种皮颜色和叶片抗性等一系列的生物学问题。

  不仅如此,研究团队还通过EMS(一种人工化学诱变技术)和γ-射线诱变,首次创制了双基因隐性突变高油酸花生的较耐冷品种和品系,有望克服目前全世界在用的高油酸育种难以克服的怕冷不出苗等弊病。

  有专家表示,该项目的完成是世界花生基础生物学研究的一个里程碑,将极大地促进国际花生分子生物学、系统生物学和遗传育种学的快速发展,提高花生遗传改良效率,缩短育种周期,培育更高产、优质、抗病、安全新品种,对促进我国和世界花生产业可持续发展具有重大意义。

(责任编辑:王蔚)

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