基因组进化研究促进水稻分子育种改良

Posted 2022-12-31 基因

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水稻的起源一直是众多研究者孜孜追求的斯芬克斯之谜。最近，中国科学家在这个领域中又有了最新的研究成果。
2011年12月11日，国际著名杂志《自然生物技术》（NatureBiotechnology）在线发表了中国科学院昆明动物研究所等机构的研究人员的最新研究成果：50个水稻基因组重测序及遗传变异数据库构建，研究结果为揭示两种栽培稻的起源驯化历史提供了迄今最大数据量的基因组学证据。
中国科学院昆明动物研究所研究员王文和他的研究团队，通过深度测序一批代表性亚洲野生稻和栽培稻的基因组，深度分析了亚洲栽培稻的起源历史，结果支持粳稻和籼稻有独立起源的结论。
而且粳稻很可能驯化于我们长江中下游的多年生野生稻。王文告诉《中国科学报》。
此项研究在全球范围内首次对栽培稻和野生稻基因组进行大规模的遗传变异分析，为深入挖掘水稻重要农艺性状基因及促进水稻分子育种改良等研究提供了宝贵的基因资源。
揭秘水稻起源
水稻是人类最早驯化的作物之一。栽培稻有两个亚种，颗粒较短的粳稻和颗粒较长的籼稻。粳稻主要生长分布于中国北部、日本、韩国等高纬度地区。而籼稻主要生长分布在中国南部、东南亚、印度等低纬度地区。两种栽培水稻的起源和演化，一直是进化生物学家、历史学家和考古学家等多年来努力求索的问题。
水稻在从野生稻驯化到栽培稻的过程中，在形态和生理上发生了巨大的变化，但这一驯化过程的遗传机制和基因组进化模式尚不清楚。同时粳稻和籼稻的起源多年来一直存在争议。王文告诉《中国科学报》。
有学者认为，两种家养稻是独立起源的。它们分别由不同地区的不同人群，在不同地点驯化而成。而另有学者则持不同观点，他们认为，两种家养稻是一次起源的，它们的存在只是驯化后物种适应不同的地理环境的结果。两派学者各持证据，一直以来未有定论。
据王文介绍，在这项研究中，他们选取了具有代表性的40个栽培稻品系和10个不同地理来源的野生稻进行了全基因组重测序研究，找到了近1500万个单核苷酸多态位点（SNPs），其中650万为高可靠度的SNPs，以及一大批基因组结构变异。
基于这些遗传变异数据，我们更加全面地了解了水稻全基因组的遗传变异特征。同时，对种群结构和系统进化分析结果也让我们从全基因水平上追溯了水稻的驯化历史。我们的研究成果证明籼稻和粳稻的起源的确是独立的，粳稻可能起源于中国普通野生稻，籼稻则可能是在东南亚地区驯化的。王文告诉《中国科学报》。
与此同时，研究人员发现了数千个与人工选择相关的候选基因。这就像是给水稻育种专家们列出一个基因清单。其中有些基因与水稻的农艺性状具有重要的相关性，而大部分基因的功能目前还不清楚，有待于研究工作的进一步展开。王文说，我们希望能从基因组水平上解析不同栽培和野生稻基因组序列的遗传变异情况，以利于培育高产、优质和抗逆的水稻新品种，提高育种技术和水平。
从新基因到基因组
作为首席科学家，王文的这项研究得到了973项目人工选择与基因组进化的支持。
王文的研究紧扣基因的进化和起源这一重大科学问题。经过几年探索，华人科学家发展出了一套研究新基因起源和进化的体系，将基因起源和发生的研究推到了一个新高度。而此前，世界上仅零星知道几个年轻的基因。
通过系统搜寻，王文和他的团队已鉴别到了一大批年轻基因，包括猴王（monkeyking）基因、一个年轻的RNA基因sphinx（斯芬克斯）基因、一个控制精子成熟的nsr基因和一个平衡生殖与寿命的CG11700基因。这些年轻基因的发现和功能研究为在自然物种中新遗传结构的起源进化提供了系统的阐释。