深圳科學(xué)家繪出水稻族群超級(jí)圖譜 測(cè)序數(shù)據(jù)多達(dá)9.42萬(wàn)億字節(jié)

作為一半以上地球人類賴以生存的糧食作物，水稻最近有了一份超級(jí)泛基因組圖譜。深圳科學(xué)家組裝了251份高質(zhì)量的水稻基因組，獲得了迄今為止植物界群體規(guī)模最大的基因組學(xué)研究成果。

近日，《細(xì)胞生物學(xué)(Cell Research)》雜志上發(fā)表了由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院(深圳)農(nóng)業(yè)基因組研究所(下稱“基因組所”)牽頭組織，與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)水稻研究所、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等單位聯(lián)手完成的《水稻超泛基因組圖譜》，幫助人類更好地了解水稻功能基因和利用種質(zhì)資源。

栽培水稻歷史

已有1萬(wàn)多年

專家表示，泛基因組是指一個(gè)物種內(nèi)所有基因組信息的總和，相比單一參考基因組，泛基因組信息包含了豐富的遺傳多樣性，可有效降低參考基因組偏差對(duì)遺傳變異檢測(cè)的影響。

為了更好地研究稻屬的遺傳變異，科研人員從5年前開(kāi)始啟動(dòng)這項(xiàng)研究。

考古學(xué)研究成果揭示，人類最早栽培水稻的歷史距今已有逾1萬(wàn)年。“水稻馴化的過(guò)程中經(jīng)歷了高強(qiáng)度的人工選擇，導(dǎo)致栽培稻相對(duì)于野生稻祖先遺傳多樣性減少，成為目前培育水稻品種的制約因素之一。”該研究的第一作者、基因組所研究員商連光告訴記者，特別是近15年，水稻培育更側(cè)重于高產(chǎn)，產(chǎn)量平均提升了13.33%，卻喪失了更多的有利基因，比如一些抗病、氮高效基因。

測(cè)序數(shù)據(jù)多達(dá)

9.42萬(wàn)億字節(jié)

水稻是中國(guó)第一大糧食作物，中國(guó)也是世界上最早種植水稻的國(guó)家。在水稻基因組學(xué)研究上，中國(guó)一直走在世界前列。20年前，中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立繪制完成并成功“解讀”了水稻基因序列，這也是人類第一次在基因組層面認(rèn)識(shí)了水稻。

“稻屬供應(yīng)了地球一半以上人類的口糧，但其實(shí)只有亞洲稻和非洲稻兩個(gè)種，它們之間不僅是地理上遠(yuǎn)隔重洋，從基因組學(xué)研究上看也是獨(dú)立起源，有著生殖隔離。”商連光表示，此前的研究不僅沒(méi)有實(shí)現(xiàn)亞洲稻、非洲稻的系統(tǒng)化比較和研究，兩種野生稻中還存有大量的遺傳變異未被發(fā)掘，也未能實(shí)現(xiàn)群體水平最完整的序列多樣性分析。這項(xiàng)研究通過(guò)地理分布來(lái)源、基因型和表型變異精心選擇了251份水稻材料，其中包括了202份亞洲栽培稻、28份普通野生稻、11份非洲栽培稻和10份短舌野生稻。

這項(xiàng)研究涉及數(shù)據(jù)非常龐大，僅高深度、長(zhǎng)讀長(zhǎng)(也稱“三代測(cè)序”)測(cè)序數(shù)據(jù)多達(dá)9.42萬(wàn)億字節(jié)(TB)。5年來(lái)，該研究已完成構(gòu)建4個(gè)水稻泛基因組。

該研究的并列第一作者、基因組所在讀博士生李笑霞表示，研究人員利用基因組所和中國(guó)水稻研究所提供的超算平臺(tái)，對(duì)251份水稻核心種質(zhì)資源的原始測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組組裝、基因組注釋等分析工作，進(jìn)而構(gòu)建了目前植物中群體規(guī)模最大、基因組注釋最充分、研究最為系統(tǒng)的稻屬超級(jí)泛基因組。

251份水稻資源

種植在大鵬基地

通過(guò)這項(xiàng)研究，科研人員不僅獲得了一份高質(zhì)量的稻屬泛基因組圖譜，并整合數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了在線網(wǎng)站，讓科研人員能高效方便地利用這些海量的基因組學(xué)數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)檢索，科研人員可根據(jù)研究需要，高效地獲得特定水稻品種基因組序列、基因在群體中的變化。

種質(zhì)資源收集是保障國(guó)家糧食安全的“國(guó)之重器”。目前，科研人員將這251份水稻資源種植在深圳大鵬新區(qū)的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳綜合試驗(yàn)基地。商連光表示，這些水稻之間差異甚大，最高的2米，最矮的僅70厘米，都是非常具有代表性的全球核心種質(zhì)資源。結(jié)合這項(xiàng)研究所取得的高質(zhì)量組學(xué)數(shù)據(jù)，育種人員可充分利用這251份水稻資源，進(jìn)行優(yōu)異基因聚合，創(chuàng)制新的育種材料，實(shí)現(xiàn)更高水平的分子設(shè)計(jì)育種，加速完成將更多優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、廣適、綠色水稻的良種材料把握在自己手中的使命。(張妍)