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《遗传所完成小麦A基因组的测序》

  • 来源专题：生物科技领域知识集成服务
  • 编译者： 陈方
  • 发布时间：2020-09-10

  • 小麦养活了世界上超过35%的人口，并为人类提供约20%的卡路里和蛋白质，是全球重要的作物。现在普遍种植的小麦是复杂的六倍体，含有A、B和D三个亚基因组，其基因组大（17 Gb）而复杂，因此小麦的遗传和功能研究极具挑战性。乌拉尔图小麦（基因组5Gb）是普通小麦和其它多倍体小麦中A基因组的原始二倍体供体，它在小麦进化、驯化和遗传改良中发挥着重要作用。
    2018年5月9日《自然》报道，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究者通过构建A基因组BAC文库和BAC测序，结合全基因组PacBio测序以及最新物理图谱构建技术（BioNano和10x Genomics），最终完成了乌拉尔图小麦材料G1812的基因组测序和精细组装，绘制出了小麦A基因组7条染色体的分子图谱，完成41,507个蛋白编码基因注释。乌拉尔图小麦基因组测序结果为多倍体小麦基因组分析提供了参考，是系统研究小麦基因组进化和遗传变异的宝贵资源，有利于发现赋予小麦遗传改良重要特性的基因，以应对全球粮食安全和可持续农业的未来挑战。
    吴晓燕 摘编自http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/5/411803.shtm
    原文标题：我国完成小麦A基因组测序

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    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-07-08
    • 6月21日，Nucleic Acids Research 期刊在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所张一婧研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所童依平研究组合作完成的题为CGT-seq： epigenome-guided de novo assembly of the core genome for divergent populations with large genome 的方法学论文。该工作开发并优化实验与计算流程，实现低成本组装小麦等大基因组作物的核心基因组。 博士研究生齐美芳、李子娟和刘春梅为共同第一作者，水稻实验材料及数据获得植生生态所研究员林鸿宣的帮助。相关工作得到中国科学院A类先导及自然科学基因项目的资助。 植物高度的遗传多态性为分子育种提供了丰富的遗传资源，确定重要农艺性状的根本方法在于比较不同群体或比较栽培种和野生种间遗传多态性与表型的关联。然而，很多经济物种经历了长期的驯化，基因组复杂而庞大。例如，目前普遍种植的小麦是6倍体，全基因组有17Gb，另外，广泛栽培的大麦、棉花、玉米、花生和大豆都具有Gb尺度的基因组，即便是覆盖度要求较低的重测序实验都需要极高的成本。而且，还存在不少未测序的大基因组经济物种，全基因组测序成本非常高，特别是对于群体水平的研究全基因组测序不现实。怎样有效刻画大基因组多态性群体的遗传多样性是一个挑战性的工作。由于很多研究并不需要知道基因组所有的碱基序列，所以人们针对大基因组物种开发了各种低成本的替代测序技术。其基本原理通常是对全基因组序列进行选择性测序，但是这些方法普遍对已有的基因组序列信息要求高，而对于遗传变异大的群体，依赖参考基因组的技术，包括外显子测序，甚至全基因组重测序，都会显着低估多态性。因而，开发不依赖参考基因组直接捕获基因及调控区序列的简化基因组测序方法对于研究多态性高的群体具有重要价值。该方法的理论依据在于调控基因活性的重要表观修饰普遍富集在基因及启动子区（图A-B），通过免疫共沉淀技术及优化拼接方案从而有效获得基因及附近序列（图C）。对小麦中国春品种进行核心基因组组装获得的片段与基因区域高度吻合（图D），能够高效挖掘新基因（图E-F）、调控区域（图G）及多态性位点（图H-J）。该方法已申请专利，其优势在于不依赖参考基因组序列，直接捕获基因及调控区序列，从而极大地降低群体核心基因组拼接的成本，有力地提高大基因组物种的分子遗传与群体遗传学研究效率。
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  • 《遗传发育所等在小麦赤霉病研究方面取得进展》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-02-18
    • 小麦赤霉病为全球小麦生产上常发的重要病害之一，由禾谷镰刀菌等多种镰刀菌属真菌侵染开花期的穗子造成，不仅对产量造成严重损失，而且脱氧雪腐镰刀烯醇等真菌毒素的积累还会影响小麦品质及威胁人类健康。目前我国防治小麦赤霉病主要依靠初花期打药来降低赤霉病发病。小麦抗赤霉病新品种选育并持续进行新抗病基因发掘，是最有效的防控途径之一，但长期以来缺少抗性材料和理想的抗病基因资源，目前仅Fhb1基因被较为广泛地应用于育种生产，但其抗病机制并不清晰，而且Fhb1的利用背景依赖性很强，对一些冬性小麦的改良并不理想。因此，发掘小麦抗赤霉病育种的遗传基础尤为重要。   此前，研究人员利用四倍体长穗偃麦草开始了小麦远缘杂交育种工作，以硬粒小麦为母本，四倍体长穗偃麦草为父本进行杂交、回交和连续自交，意外发现育成的六倍体小偃麦具有非常好的赤霉病抗性。鉴定发现二倍体长穗偃麦草同样高抗赤霉病，且近期发表的研究表明四倍体长穗偃麦草是由二倍体长穗偃麦草同源加倍、进化而来的。   为拓宽小麦遗传资源及改良小麦赤霉病抗性，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员韩方普团队鉴定发现含有二倍体长穗偃麦草（Thinopyrum elongatum）7E染色体的小麦材料具有很好的赤霉病抗性（Fu et al., JGG, 2012）。从2010年开始，团队利用10年时间集中进行二倍体长穗偃麦草端体附加系（CS-7EL）的花粉辐射工作，通过对843个稳定的易位系进行连续多年多点的大田、温室赤霉病接菌鉴定和回交转育，筛选得到了多份兼具赤霉病抗性且农艺性状优良的小麦新品系（Guo et al.,2023 unpublished），其中，易位系中科166（7D染色体小片段易位系）作为中抗赤霉病材料于2022年通过国家审定，易位系中科1878（6D染色体小片段易位系）进入国家小麦良种联合攻关2022-2023年生产试验。   韩方普在加拿大农业部工作期间，鉴定发现含有十倍体长穗偃麦草（Thinopyrum ponticum）7E2染色体的易位系及来自KSU的10份易位系均不抗赤霉病。团队成员们对含有Fhb7基因的小麦-十倍体长穗偃麦草衍生系进行赤霉病抗性鉴定，发现小麦-十倍体长穗偃麦草易位系TNT-B和小麦-十倍体长穗偃麦草部分双二倍体SNTE122均高感赤霉病（Guo et al., Plants，2022）。   从2013年开始，团队系统地进行了分子标记开发、抗病基因区段定位，得到61个7E染色体长臂特异的分子标记，并初步将抗病基因定位到7E染色体长臂末端，发现5个分子标记与抗病区段紧密连锁。   易位系中科1878具有很好的赤霉病抗性，单花滴注接种鉴定达到苏麦3号抗性水平，在济麦22背景下将发病小穗数从13.43将低至1.43，基因组重测续表明小麦6D染色体长臂末端携带100Mb左右的二倍体长穗偃麦草7E染色体末端易位片段（图1a-c）。为筛选来自7E染色体的抗赤霉病基因，团队对中科1878和济麦22接菌96小时后的小穗进行三代转录组测序，最终筛选到25个与小麦差异较大的长穗偃麦草来源的转录本，其中，转录本T26102注释为GST蛋白，在接菌48小时后表达量显著上调（图1d,e），并且与已经发表的GST-Fhb7高度同源。   为进一步研究T26102与赤霉病抗性间的关联，团队发现CS-7EL附加系、中科1878、小麦-十倍体长穗偃麦草易位系4460、4462和小麦-十倍体长穗草部分双二倍体SNTE20均含有T26012的同源序列，且CS-7EL、中科1878、SNTE20中均含有两个不同的拷贝（图1f）。对含T26102同源序列的材料进行接菌鉴定，他们发现4460、4462、SNTE20接菌96小时后表达量均显著上调，却与对照材料济麦22同样表现高感赤霉病（图1g-i），该结果与2022年此前研究中易位系TNT-B和SNTE122的相关结果一致（Guo et al., Plants 2022）。   为进一步确定T26102的功能，研究人员首先构建了pUbi:T26102过表达载体，得到了19AS161、济麦22、中麦175三个品种的转基因植株，对T0代植株和野生型对照进行赤霉菌接菌鉴定，接菌7天后穗子均部分干枯，过表达植株抗性水平与野生型相比没有显著差异（图2j,k）。为排除T26102与Fhb7间的氨基酸差异和启动子序列差异，研究人员对已发表的Fhb7基因序列构建了过表达载体和内源启动子载体，并转入郑麦7698和科农199，对郑麦7698背景的T0代转基因植株和科农199背景的T1代转基因植株进行接菌鉴定，发现转基因植株的抗性与对照没有显著差异（图2l-n）。   研究结果表明，T26102的同源序列在多个感病材料中存在且受诱导表达，其中部分材料中的序列与已发表的Fhb7基因区序列、启动子区序列均完全一致，T26102的过表达植株和Fhb7的过表达、内源启动子植株均不具有赤霉病抗性。Fhb7不是抗病基因，根据多年鉴定及系统材料研究，在十倍体长穗偃麦草中还没有发现类似二倍体长穗偃麦草的赤霉病抗性材料或基因。   相关研究成果于近日以Functional analysis of the glutathione S-transferases from Thinopyrum and its derivatives on wheat Fusarium head blight resistance为题发表在Plant Biotechnology Journal上。
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