小米是我國北方日常飲食中的重要糧食之一，產(chǎn)出小米的植物叫“谷子”。作為世界上最古老的馴化作物之一，在高投入（水利、化肥）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)到來之前，谷子在農(nóng)耕文化中長期占據(jù)主糧地位。
近年來，隨著人類對氣候環(huán)境變化、農(nóng)業(yè)可持續(xù)性和糧食安全的深入思考，谷子因耐干旱、耐瘠薄、C4高光效、環(huán)境適應(yīng)性強和養(yǎng)分利用效率高等顯著特征，再次引起越來越多的關(guān)注，正被迅速發(fā)展為C4光合和禾谷類作物耐逆及營養(yǎng)高效研究的模式作物。
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我國谷子育成品種在全球領(lǐng)先 中國農(nóng)科院供圖
雖然科學(xué)家經(jīng)過研究已證實谷子是從狗尾巴草馴化而來，但其馴化改良的過程一直成謎，而這也制約了C4光合模式植物體系和谷子遺傳育種的發(fā)展。現(xiàn)在，這個謎題終于有了答案。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所刁現(xiàn)民團隊經(jīng)過數(shù)十年研究，組裝了谷子第一個高質(zhì)量圖基因組，繪制了首個狗尾草屬變異圖譜，系統(tǒng)闡明了谷子起源及馴化改良的過程。這一成果于北京時間6月8日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然·遺傳學(xué)》上。
利用現(xiàn)代分子學(xué)生物技術(shù)，研究團隊在對谷子野生種、農(nóng)家品種和現(xiàn)代育成品種等1844份核心種質(zhì)資源群體結(jié)構(gòu)進行解析的基礎(chǔ)上，從頭組裝了110個谷子和狗尾草高質(zhì)量基因組，繪制了首個狗尾草屬基因組變異圖譜，構(gòu)建了首個雜糧和C4作物高質(zhì)量圖基因組，認識了谷子資源變異的基本情況，系統(tǒng)解析了谷子馴化和改良過程中基因組變異。
谷子群體遺傳特征分析 中國農(nóng)科院供圖
同時，團隊還歷時10年，在13個地理環(huán)境下，對680份資源進行了68個性狀的表型調(diào)查，形成了226組群體表型數(shù)據(jù)和表型組數(shù)據(jù)庫；將基因組變異和表型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，發(fā)掘出1,084個與表型顯著關(guān)聯(lián)的重要性狀相關(guān)位點，如控制產(chǎn)量性狀的SiGW3等。此外，研究還建立了基于谷子圖基因組的最優(yōu)預(yù)測模型和全基因組選擇育種方法，該方法可加速作物遺傳研究并使谷子表型預(yù)測精度最高提升12.6%。
谷子馴化、改良過程中基因組變異遺傳特征解析 中國農(nóng)科院供圖
研究構(gòu)建的谷子基因組變異圖譜、多環(huán)境多性狀表型組、以及批量發(fā)掘的重要性狀控制位點和基因，為谷子模式植物體系發(fā)展等基礎(chǔ)研究和資源利用提供了重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為作物種質(zhì)資源挖掘利用提供了重要參考。
我國積累了世界上最豐富的谷子資源 中國農(nóng)科院供圖
論文通訊作者、作科所研究員刁現(xiàn)民表示，基于高覆蓋深度測序，理清了谷子野生種、農(nóng)家品種和現(xiàn)代育成品種的群體結(jié)構(gòu)、分類和衍化關(guān)系，認識到谷子和水稻有著類似的基因組變異水平；群體遺傳學(xué)證據(jù)清楚表明谷子單起源，全世界的谷子均來自中國。
中國工程院院士劉旭表示，我國是谷子的起源國，也保存有全世界最多的谷子資源，但系統(tǒng)深入的研究缺乏，限制了其遺傳育種水平的提升。該研究清晰了谷子野生種、農(nóng)家品種和現(xiàn)代育成品種三類資源的基因組變異本底，了解了三類資源的亞群分類和地理分布及其演化的可能過程，從遺傳學(xué)上肯定了谷子單起源中心，即中國起源中心的理論，是利用新技術(shù)進行資源研究的典型代表。
中國科學(xué)院院士李家洋表示，此次發(fā)表的谷子圖基因組研究，是雜糧領(lǐng)域第一個高質(zhì)量圖基因組。這一工作不僅是谷子研究的又一次“里程碑”式工作，也是對“小作物-大作為”的最好詮釋，并將對其他作物研究具有重要推動作用。
中國科學(xué)院院士錢前表示，該研究更清晰地看到了基因組結(jié)構(gòu)變異對發(fā)掘基因功能的重要性，為谷子模式植物體系提供了基因組和表型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，全面提升谷子的育種水平和產(chǎn)量品質(zhì)潛力，使我國保持谷子基礎(chǔ)和育種研究的國際領(lǐng)先地位。
該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國家自然科學(xué)基金和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項目資助。（光明網(wǎng)記者宋雅娟）
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