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Commun. Biol. | 基因组所联合多单位发布首个中国菰染色体水平基因组,并鉴定落粒性相关基因

2022-01-14 08:12:00来源:

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中国菰Zizania latifolia原产于中国,属于禾本科稻族菰属,主要分布于中国、韩国、日本和印度等国家。中国菰的颖果为菰米(图1),在我国古代是重要的“六谷”之一。对于野生植物而言,易落粒有利于后代繁衍,而对于栽培作物而言,易落粒导致收获指数和产量严重降低。中国菰具有生物量大、耐深水、灌浆成熟快、籽粒蛋白质含量高和抗稻瘟病等优良性状,但是由于未经过人工驯化,其种子成熟过程中极易脱离母体形成落粒。因此,开展落粒性相关研究对于中国菰的快速驯化以及培育落粒性减弱的品种具有重要意义。但是,由于缺乏高质量基因组,中国菰的遗传学及其落粒性基因研究远远落后于水稻等重要禾本科作物。


图1 中国菰的植株、花序和种子


2022年1月11日,基因组所与中国农业科学院烟草研究所烟草功能成分与综合利用创新团队、中国水稻研究所等单位联合,完成了首个中国菰染色体水平基因组组装,并通过共线性分析和转录组测序鉴定到中国菰落粒性相关基因。相关研究成果以Chromosome-level genome assembly of Zizania latifolia provides insights into its seed shattering and phytocassane biosynthesis为题发表在《自然》旗下期刊Communications Biology上。



研究团队运用第三代Nanopore、二代Illumina和高通量染色体捕获技术进行全基因组测序与组装,获得中国菰基因组全长547.38Mb,其中含有38 852个基因以及52.89%的重复序列,重叠群(Contig N50)为4.78 Mb,基因组骨架(Scaffold N50)为32.79 Mb,其中545.36 Mb基因组序列被定位到17条染色体上,挂载率高达99.63%(图2)


图2 中国菰基因组信息


系统发育分析发现,中国菰与假稻Leersia perrieri和稻属Oryza植物亲缘关系更近,其分化时间约为19.7-31.0 Mya。研究还发现,中国菰和水稻基因组之间存在显著的共线性,而通过与水稻落粒性基因共线性分析鉴定出中国菰落粒性相关基因,并分析了这些基因在离层形成和降解过程中的表达特性(图3)该研究为中国菰落粒性基因编辑提供了候选靶点,有助于加速中国菰落粒性的定向驯化改良。

图3 中国菰离层形成和降解期间的组织学、转录组学分析以及落粒性相关基因的表达特性


烟草研究所闫宁副研究员、博士后杨婷、硕士生于秀婷和基因组所商连光研究员为论文共同第一作者,烟草研究所张忠锋研究员、闫宁副研究员和中国水稻研究所钱前院士为论文共同通讯作者。该研究得到了中国农业科学院科技创新工程和国家自然科学基金等项目的资助。


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