福建农林大学等破译四倍体栽培种花生全基因组

2019年05月15日 09:48科学网

5月1日,福建农林大学教授庄伟建,联合印度国际半干旱热带作物研究所、华北理工大学等23个研究机构的研究成果“栽培种花生基因组揭示了豆科植物的核型、多倍体进化和作物驯化在《自然·遗传学》在线发表。该项研究在全世界范围内首次破译了四倍体栽培种花生的全基因组,标志着我国在栽培种花生基因组、花生染色体起源、花生及豆科主要类群核型演化、花生基因组结构变异、花生物种起源与分子育种研究方面处于国际领先水平。

因异源四倍体栽培种花生基因组大、结构复杂,研究难度大;花生的基础生物学研究、重要基因精细定位与功能鉴定、花生分子遗传育种和生物技术研究落后,长期影响了产业发展。栽培种花生基因组是节段异源四倍体,由两个相近基因组演化而来,一直未能破译。

本项目在国际上率先完成并公布了高质量栽培种花生全基因组序列和精细结构框架,并精确注释到无冗余等位基因水平;在此基础上全面系统深入比较了花生与其它豆科物种及双子叶植物葡萄的基因组,揭示了花生与其它豆科物种染色体起源、核型演化和栽培种花生基因组结构变化,重构了花生及豆科物种主要类群染色体数量和结构变化复杂历程,并发现花生核型是直接从豆科祖先染色体独立进化产生;为解释花生物种特有的生物学性状演化提供了遗传依据。

栽培花生四倍化后种子大小、抗病性、含油量等发生了极大变化,本项目在全基因组尺度上揭示了栽培花生基因含量变化,解析了种子大小、抗病性、油脂代谢和特殊固氮特性与基因含量及序列演化的关系。

研究系统深入提示了栽培种花生的物种起源、演化和栽培驯化,证明已测序的野生种A.duranensis不是栽培种花生A亚基因供体,栽培花生起源于42~47万年前,其两个变种和各亚种是独立演变和驯化形成的,揭示了现代花生育成品种的基因组结构,特别是提出了全新的花生演化学说,这将为花生遗传改良提供理论指导。

花生育种的主要目标是高产、优质、抗逆,本研究首次通过基因组精细定位获得了花生种子大小、种皮颜色的决定基因、花生抗晚斑病和锈病的R基因簇,通过基因组也证实了诱变产生双基因隐性突变高油酸新材料。该研究使花生的全基因组选择育种、精准育种和大规模基因组编辑成为可能,可大大提高花生遗传改良效率,培育更高产、优质、抗病、安全新品种。研究表明花生基因组也可作为双子叶植物的重要的参考基因组,用于研究双子叶植物及豆科物种起源、演化和物种多样性。

该项研究主要依托福建农林大学,联合印度国际半干旱热带作物研究所、武汉未来组生物科学研究院、华北理工大学、美国佛罗里达大学、台湾成功大学、山东省农科院、广西壮族自治区农科院、河南省农科院、中国农科院油料作物研究所、美国乔治亚大学等23个研究机构共同完成,对全球花生的遗传改良具有里程碑贡献。

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