| EN
當前位置:首頁 > 最新動態

最新觀點 |水稻泛基因組揭示馴化和去馴化基因組特征

作者:謝天樂、李紫文

水稻(Oryza sativa)是重要的糧食作物之一,盡管根據大量的考古和遺傳證據可以推斷水稻的進化軌跡,但其起源和馴化仍存在爭議,尤其在水稻的馴化事件是一次發生還是多次獨立發生上。此外,由于水稻的去馴化生態型(雜草稻,Oryza sativa ssp. Spontanea)嚴重威脅水稻產量和質量,水稻去馴化現象受到越來越多的關注,對其進化機制的研究和理解對水稻遺傳育種非常重要。在作物進化與馴化研究領域,由于泛基因組可以提供更完整、更廣泛的基因組數據,因此,可以推動作物進化與馴化研究領域關鍵問題的深入研究。

近日,浙江大學作物科學研究所和中國水稻所聯合在國際著名期刊Genome Biology上發表了題為“A syntelog-based pan-genome provides insights into rice domestication and de-domestication”的研究論文。該研究整合了涵蓋現今所有生態類型和分類單元的水稻基因組,構建了基于74份水稻材料的共線性直系同源基因泛基因組數據集,并基于此重新考察了水稻的起源、馴化、多樣化和去馴化。

1.png

為了全面準確地捕捉水稻基因組的多樣性,研究人員首先對11個雜草稻品種和1個栽培稻品種進行PacBio HiFi測序組裝,獲得了高質量的基因組,并通過與參考基因組Nipponbare和無間隙組裝基因組MH63RS3進行比較以驗證完整性。同時,研究人員通過與先前研究中的62份高質量栽培稻和野生稻基因組進行整合,基于全基因組SNP的系統發生樹對74個水稻品種進行了分群分析(圖1),這些品種總計包括11個野生稻(O. rufpogon),12個雜草稻(O. sativa ssp. spontanea)和51個栽培稻(O. sativa)。隨后,對7000份水稻材料的主成分分析驗證了74個基因組的代表性(圖1)?;谶@74份材料,研究人員構建了基于共線性直系同源基因的水稻泛基因組,來自74個水稻基因組的約310萬個基因被分類為175528個同源基因組(SGs,syntelog groups),約34.5%、34.9%、27.7%和2.8%的基因分別被分配到核心、近核心、多態性和特異性同源基因組中。

2.png

圖1. 基于共線性同源基因的水稻泛基因組

隨后,研究人員進行了基于共線性直系同源基因的單倍型分析,通過比較秈稻和粳稻的單倍型差異,發現46.0%的同源基因組顯示高單倍型差異,并鑒定出73個低分化區域(共23.38 Mbp)(圖2),可能是亞種之間的遺傳漸滲所導致。多個已克隆的馴化基因在該區域被發現,包括An-1、LABA1、sh4、prog1、IPA1 等。為了研究這73個低分化區域的起源和基因流,研究人員收集了186份野生稻的基因組序列,結合74份材料進行系統發育分析,鑒定出四個野生組:Or-1、Or-2、Or-3和Or-4(圖2)。系統發育分析發現,有64個區塊(占總區間的96.2%)支持基因滲入推論。粳稻和秈稻嵌套在野生稻Or-3組內,表明Or-3是粳稻和秈稻漸滲區域的共同野生祖先,支持了單次馴化假說(圖2)。一些Or-1或Or-2材料位于馴化分支和Or-3分支之間,表明這些原始粳稻的等位基因,在當前粳稻基因庫中不存在,但在野生Or-1或Or-2中存在(圖3)。

3.png

圖2. 基于共線性同源基因的單倍型分析

對之前報道的一個0.5Mb大小的去馴化基因組島(Qiu J, Jia L, Wu D, et al. Diverse genetic mechanisms underlie worldwide convergent rice feralization. Genome Biol, 2020, 21:70)的研究發現,秈型雜草稻在該區域的基因組構成與野生稻基因組更為相似(圖3)。在所有秈型雜草稻中都發現一個不存在于秈稻和粳稻材料中的10Kb的易位,(圖3),推測來自野生稻的去馴化基因組島的基因滲入可導致栽培稻的野化。除了上述0.5Mb大小的去馴化基因組島外,沒有任何單一的功能突變可以解釋不同雜草稻群體的趨同表型變化,表明不同類群雜草稻在獲得上述去馴化基因組島后經歷了獨立的進化過程。

4.png

圖3. 水稻去馴化過程中的結構變異

 

綜上,研究人員利用74個高質量的水稻基因組,從泛基因組角度重新審視了水稻亞種和類群的馴化過程,并強調了基因組滲入在水稻馴化和去馴化中的意義。






原文鏈接:

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-03017-5


電話:010-62993788 郵箱:lss@ziiab.cn 版權所有?北京中智生物農業國際研究院 地址:北京市平谷區峪口鎮峪達大街1號院 京ICP備20027069號-1
疯狂操骚逼摸奶子扣逼浪叫