北京時間2020年6月17日晚23時，《細胞》在線發表中科院遺傳與發育生物學研究所田誌喜團隊關於大豆泛基因組的研究進展。
該研究突破傳統線性基因組的存儲形式，在植物中首次實現基於圖形結構基因組的構建。
它將引領全新的下一代基因組學研究思路和方法，被審稿人稱為「基因組學的裡程碑工作」。
大豆圖形結構泛基因組分析示意圖
傳統方法「心力不足」
「此研究方向的實踐目前剛剛開始。」田誌喜對《中國科學報》說，「基於圖形結構泛基因組打破了傳統基因組對遺傳信息的線性記錄方式（ATCG按照鹼基序列順序排列到染色體），是一種結合了傳統基因組和圖論的新型基因組存儲方式。其優勢是突破了傳統基因組只能存儲一個個體遺傳信息的局限性，可以存儲、展示某類群中不同個體的遺傳變異信息，從而真正代表一個類群的遺傳信息，而非特定個體的遺傳信息。」
基因組學是生命科學研究的核心基礎。在種質資源的群體變異與性狀挖掘研究中，通常需要藉助一個參考基因組，通過將重測序數據比對到參考基因上來鑑定個體間的遺傳變異。
這種變異鑑定方法受制於參考基因組序列及其與檢測個體間的相似性，參考基因組沒有的基因組序列和個體間差異較大區域的信息將無法在群體中鑑定。同時，大片段的插入、缺失、拷貝數等變異類型也無法有效鑑定。
然而，這些基因組信息往往具有重要的生物學功能。因此，單一參考基因組在揭示種質資源豐富變異的研究中越來越「心有餘而力不足」。
2898份大豆種質資源地理分布與系統發育樹
讓數據獲得「第二次生命」
我國大豆需求量大，對外依賴嚴重。因此，加強大豆研究，提高大豆產能迫在眉睫。
此前，田誌喜團隊完成了曾獲國家科技進步獎一等獎的大豆品種——「中黃13」的黃金版大豆參考基因組的組裝和注釋。
然而，研究人員在對大豆種質資源的深度重測序和群體遺傳學分析中發現，不同大豆種質資源之間存在較大的遺傳變異，單一或少數基因組不能代表大豆群體的所有遺傳變異。
大豆基礎研究和分子設計育種亟需能夠代表不同大豆種質材料的全新基因組資源。
田誌喜等人聯合中科院遺傳發育所梁承志和朱保葛團隊、中科院分子植物科學卓越創新中心韓斌院士團隊、上海師範大學教授黃學輝團隊等，對來自世界大豆主產國的2898個大豆種質材料進行了深度重測序和群體結構分析，挑選出26個最具代表性的大豆種質材料，包括3個野生大豆，9個農家種和14個現代栽培品種。
研究人員利用最新組裝策略，對26個大豆種質材料進行了高質量的基因組從頭組裝和精確注釋。
在此基礎上，結合已經發表的中黃13等基因組，開展了系統的基因組比較，構建了高質量的基於圖形結構泛基因組，挖掘到大量利用傳統基因組不能鑑定到的大片段結構變異。
深入分析發現，結構變異在重要農藝性狀調控中發揮重要作用，例如，HPS基因的結構變異調控大豆種皮亮度變化；野生與栽培大豆CHS基因簇的結構變異是導致種皮顏色由黑色向黃色馴化的主要原因；另外一些基因結構變異導致了其在不同種質材料中基因表達的差異。
此外，研究還鑑定到15個結構變異導致了不同基因間的融合，這為新基因的產生研究提供了重要線索。
此高質量圖形結構泛基因組的構建不僅本身具有重要的理論意義和應用價值，同時為過去已經開展的大量重測序數據提供了一個全新的分析平臺，將使得這些數據獲得「第二次生命」。
泛基因組及核心基因組分析
助力大豆「綠色革命」
上世紀60年代，以降低農作物株高、半矮化育種為特徵的第一次「綠色革命」，使得全世界水稻和小麥產量翻了一番，解決了溫飽問題。
然而在過去的60年裡，大豆平均單產相對其他主糧作物而言尚無明顯突破，大豆生產亟須「綠色革命」。
該研究所選用的大豆種質材料不僅在遺傳多樣性上具有代表性，且具有重要的育種和生產價值。
其中滿倉金、十勝長葉、紫花4號等種質材料作為骨幹核心親本已各自培育出了上百個優良新品種；黑河43、齊黃34、豫豆22、皖豆28、晉豆23、徐豆1號等都是各個大豆主產區推廣面積最大的主栽品種。
專家認為，該基因組和相關的2898份種質材料遺傳變異的發布為大豆研究提供了極為重要的資源和平臺，將大力推進大豆分子設計育種，助力實現大豆「綠色革命」。
雲南師範大學祝光濤教授認為，該研究是作物學研究領域群體數目最多、基因組組裝質量最好的泛基因組解析，從大數據的整合到重要生物學性狀的解析均達到了新高度。
作者：小柯生命
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.05.023