山农大破译五节芒基因“密码” 为种质利用和新品种创制提供理论支撑
山农大破译五节芒基因“密码”
为种质利用和新品种创制提供理论支撑
图为五节芒。（□王桂利供图）
□记 者 王桂利
通讯员 郭翠华 报道
本报泰安讯 5月6日，国际著名期刊《自然植物》（Nature Plants）在线发表了山东农业大学农学院陈翠霞教授课题组的研究成果。该成果破译了五节芒基因组，解析芒属植物基因进化历史，并揭示了芒草中纤维素或半纤维素含量高的分子机制，为种质利用和新品种创制提供了理论支撑。
长在荒地里的芒草是一种高大的野草，这种看起来平平无奇的禾本科植物是世界上最具开发潜力和广泛用途的重要木质纤维素原料作物，可以用来生产生物质燃料酒精。芒草在我国分布广泛，主要有芒、五节芒、荻和南荻等种类。“这类植物生长速度快、生物产量高、易繁殖、抗逆性强，可在荒草地、盐碱地、沼泽滩涂等边际土地上种植生长。它用途广泛，如固土保水、改良土壤、改善生态环境，作为可再生生物质原料转化为热能、电能、液体燃料等，用作畜禽饲草，是很好的木质纤维素原料作物。”陈翠霞告诉记者。
近年来，国内外学者对芒属植物进行了深入研究。高粱和甘蔗野生种基因组已被学者们破译，但芒属植物由于基因组庞大、重复序列多和高度杂合等特性，一直缺乏高质量染色体级别的参考基因组。
陈翠霞课题组经过十余年的研究，对芒属植物代表性物种五节芒的基因组高深度测序数据进行分析，计算出其基因组大小为2462.35Mb，杂合度为1.89%，重复序列比例为73.42%。考虑到五节芒基因组的复杂度，他们综合利用了二代、三代、10xGenomics等测序方式，并通过Hi-C挂载到五节芒的19条染色体上，再先后用遗传图谱数据和BioNano数据进行修正和验证，并进行了基因组的基因注释和转座子注释等。结果表明，他们组装得到的五节芒基因组是染色体级别的高质量参考基因组。通过进一步研究，他们又确定了五节芒8号染色体是由高粱祖先种4号和7号染色体融合而来，并鉴定出新融合染色体的着丝粒位置。
在上述研究成果基础上，陈翠霞课题组又绘制出高粱、甘蔗和五节芒基因组之间或组内共线性基因的洛伦兹曲线（Ks plot），推断三个物种之间的具体进化关系和时间。他们认为，芒草、甘蔗祖先种与高粱祖先种在约550至610万年前发生了分化，而后在约430至460万年前芒草与甘蔗属祖先基因又发生分化，通过基因组加倍、染色体重排等分别演变成现在的芒属植物和甘蔗野生种。
“我们还鉴定了高粱、甘蔗和五节芒中纤维素合酶CesA/Csl家族基因，构建了系统进化树。”陈翠霞说。课题组对五节芒不同组织部位纤维素合酶基因表达量进行检测，发现在正伸长的茎秆组织中高表达，与芒属植物所有基因的表达量相比，大部分CesA和部分Csl基因表达水平最高，这与芒属植物极高的纤维素或半纤维素含量相吻合。
陈翠霞说，十余年前，受石油价格上涨的影响，欧美发达国家纷纷投入大量资金研究可再生能源，木质纤维素作物，如芒草、柳枝稷等成为科学家研究的重点。近期木质纤维素作物基因组成果频出，就是十多年来不间断研究的成效。
芒属植物起源于东南亚，在我国具有丰富的遗传多样性。为此，陈翠霞课题组还搜集了芒、荻、南荻、五节芒等国内多个芒属代表性物种及巨芒等国外杂交种共75个居群，对它们进行二代全基因组重测序，并对测序得到的变异位点分类和进化树构建。他们根据研究结果推测，芒属植物之间存在着广泛的种间杂交和渐渗作用，这为通过杂交培育出更优异的芒属或甘蔗属植物品种提供了理论支持。
据陈翠霞介绍，课题组在黄河三角洲盐碱地已开展了近八年的种植试验工作，目前共种植20多亩的试验材料，适应性良好，表现出优异的耐盐性。这对于盐碱地的脆弱生态恢复、土壤改良和开发利用，乃至粮食安全和生态安全意义深远。
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