穀子基因組結構圖
穀子遺傳連鎖圖
【科學網 高長安 全志武報導】近日，河北省張家口市農科院和深圳華大基因研究院聯合成功完成穀子全基因組序列圖譜的構建。該成果為研究人員全面探究穀子的遺傳機制提供了基於基因組水平的新的研究思路，為揭示穀子抗旱節水、豐產、耐瘠和光合作用效率等生理機制的研究奠定了數據基礎，並為高產優質、抗逆穀子新品種的培育提供了重要的指導意義。5月14該研究成果在國際著名雜誌《自然-生物技術》 上在線發表。
穀子為重要的禾本科作物之一，其脫殼前被稱為穀子，脫殼後被稱為小米，是我國北方種植的重要糧食作物，在國家糧食生產和糧食安全中佔有重要的地位。穀子是二倍體自花授粉作物，其基因組較小，具有豐富的遺傳多樣性，且種質資源保存較完整；此外，它還具有生育期短、適應性廣、抗旱、耐瘠、行高效的C4光合作用途徑等生理特徵。這些特性使穀子能夠成為基因組分析和研究的一個很好的新的模式作物。
在本研究中，科研人員通過新一代測序技術對一株來自中國北方的穀子品系進行了全基因組測序和從頭組裝，獲得了穀子的全基因組序列圖譜（組裝得到的基因組大小約為423Mb，N50達到了1.0Mb）。通過基因組注釋和分析發現，穀子基因組中的重複序列約佔整個基因組的46%，大約含有38,801個蛋白質編碼基因。
為了檢測群體變異和構建遺傳圖譜，研究人員對另一穀子品系A2進行了重測序。經過對兩個父本的雜交和兩年的培育，研究人員終於獲得大量的代個體，他們利用這些個體的遺傳信息，對大量的遺傳變異進行了檢測和驗證，並繪製了高精密度的遺傳圖譜。此外還利用這些信息對許多表型如雜種優勢和其它與穀子分子育種密切相關的性狀進行了深入的研究。
穀子和水稻大約在5000萬年前開始分化，二者分化之後的基因組結構仍存在明顯的共線性。在本研究中，研究人員發現穀子的2號和9號染色體分別由水稻的7號和9號、3號和10號染色體融合而成，同時發現這兩次融合事件也發生在高粱的染色體中，由此，研究人員推測這兩次染色體融合事件發生在穀子和高粱分化之前。此外，研究人員還發現了穀子獨立分化出來之後的一次特異性染色體融合事件，即穀子的3號染色體是由水稻的5號和12號染色體或高粱的8號和9號染色體融合而成。這些染色體重組事件是物種遺傳變異、特有的遺傳機制形成及物種分化的重要基礎。
華大基因該項目負責人張耕耘博士表示，穀子全基因組序列圖譜的完成是進行比較基因組學和功能基因組學研究的非常寶貴的資源，目前已經把穀子基因組信息添加到整個禾本科的資料庫中，希望能夠為穀子基因組進化的進一步研究和分析提供有價值的科研依據。此外，穀子基因組數據為穀子的研究和改良提供了一個非常重要的工具， 也為如何應用基因組序列分析對其表型相關的遺傳特性研究提供了參考。
張家口市農科院穀子研究所所長趙治海表示，目前張家口市農科院培養出來的雜交穀子品種最高畝產達到810公斤。此次張家口市農科院和深圳華大基因研究院成功完成穀子全基因組序列圖譜構建後，雙方已經著手穀子品種的進一步改良，計劃用3-5年時間，使穀子畝產量超過900公斤。