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油茶基因组破译:实现从传统育种向基因组育种的跨越

来源:国家林业和草原局 时间:2022-01-14 16:03:31 阅读79 次


      油茶是我国特有的优质木本油料作物,作为我国四大油料之一,在保障我国粮油安全、助力乡村振兴等方面具有举足轻重的作用。但由于油茶“抱子怀胎”等特性,育种年限长,新品种选育缓慢,严重阻碍了油茶产业的发展。

  1月10日,中国林业科学研究院亚热带林业研究所研究团队联合在国际著名学术期刊Genome Biology(《基因组生物学》)在线发表了题为《油茶基因组图谱和群体基因组学研究揭示油脂驯化机制》的研究论文。该研究成功组装了全球首个染色体级别高质量油茶基因组,揭示了油茶物种进化历史及其种子高油脂、高不饱和脂肪酸含量的驯化机制,建立了油脂性状早期选择技术体系。油茶基因组的破译,实现了油茶从传统育种向基因组育种的跨越,为提高良种的选育效率、保障我国粮油安全奠定了重要基础。

  该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国林科院基本科研业务费专项资金等项目支持,论文通讯作者为中国林科院亚林所研究员殷恒福和姚小华,第一作者为中国林科院亚林所副研究员林萍,南京林业大学教授业宁参与了相关工作。

  “油茶基因组的破译,实现了油茶从传统育种向基因组育种的跨越,开启了油茶精细育种时代,为分子设计高产抗性强的油茶新品种提供了物质基础。”中国科学院院士钱前评价说。


殷恒福研究员与林萍副研究员在查看组织培养实验材料




      首个染色体级别高质量油茶基因组图谱问世

  油茶,泛指山茶科山茶属植物中油脂含量高,具有一定栽培面积、有经济栽培价值的物种总称,是我国主推的重要木本油料树种。我国现有油茶种植面积7000万亩,以普通油茶为主,年总产值1200亿元左右。

  油茶籽油中不饱和脂肪酸达90%以上,其中以单不饱和脂肪酸油酸为主,富含角鲨烯、维生素E、甾醇、多酚等功能成分,具有较高的保健价值,被誉为“液体黄金”。然而,研究发现,油茶基因组具有杂合率高、重复序列占比大的特点,其杂合率达2.52%,远高于大部分已测序的物种,这为基因组组装带来了巨大挑战。

  研究团队经过4年多努力,通过三代测序技术,获得了大小为2.95GB,Contig N50为1.002MB的二倍体油茶(CON)的基因组图谱,并将基因组锚定到15条染色体上,锚定率达91.33%,成功组装了全球首个染色体级别的高质量油茶基因组图谱。

  同时,利用控制杂交的群体建立了高密度遗传标记连锁图谱,对基因组图谱组装进行了进一步的校正,这一研究结果,如同打开了油茶生命活动的“黑匣子”,将使油茶基因组学研究和分子改良育种迈入全新的发展阶段,为未来解析油脂产量、品质、功能性成分及抗性等重要性状的分子基础提供重要支撑。

  解开油茶物种起源和演化机制奥秘

  为进一步探究油茶的“身世”,研究团队利用组装的油茶基因组内旁系同源基因间的同义突变对比分析,发现油茶基因组共发生两次全基因组复制事件:第一次为古老的γ复制,第二次发生在山茶属与猕猴桃属分化前不久,而山茶属形成之后并没有发生特殊的全基因组复制事件。研究团队通过山茶-猕猴桃、山茶-柿、柿-猕猴桃属间同源突变率的比较印证了这一观点。

  这一重大发现解开了油茶物种起源和演化机制的奥秘。油茶在长期的栽培驯化中,区别于以叶用为目的的茶和以观赏为目的的山茶,在人工选择作用下进化成以种子油脂为主要栽培目的的木本油料树种,使得油茶成为研究植物种子油脂性状驯化的绝佳材料。

  为进一步揭示油茶油脂性状驯化的分子机制,研究团队利用全国分布区内的221个代表品种开展了群体转录组测序和关联分析。分析发现,在驯化过程中,油茶基因组中油脂代谢通路中的多个基因受到了显著的人工选择。此外,胁迫应答、激素生物合成等通路也受到显著选择。

  为了挖掘高度可信的油脂代谢关键基因,研究团队采用基因组遗传变异、基因表达水平和表型性状变异开展了多层次的关联分析。令人惊讶的是,在筛选出的21个候选基因中,有14个属于油脂合成和分解代谢通路基因。其中,油脂代谢通路中的8个基因在长期栽培驯化过程中形成了显著的单核苷酸多态性和表达水平差异。这8个基因既包括油脂合成基因,也有油脂分解代谢基因,表明油茶油脂性状是由参与合成和分解的两类基因协同调控的结果。


姚小华研究员在油茶地


构建油茶分子育种技术体系

  鉴于油茶育种年限长,新品种选育缓慢,团队利用该研究中获得的油脂代谢关键基因内的单核苷酸多态性位点基因型与油脂性状的相关性,筛选出10组可用于高含油率、高油脂品质种质资源早期鉴别的单核苷酸多态性基因型。首次构建了油茶油脂性状早期选择技术体系,苗期选择效率可达68.42%-86.96%,相关内容已申报国家发明专利,有望有效缩短油茶育种周期,提高油茶育种效率。

  在钱前看来,中国林科院亚林所研究人员以二倍体油茶为对象,构建了油茶全基因组图谱并明确了油茶起源和演化机制,结合200余份代表性油茶品种油脂高速合成期种仁的转录组数据,挖掘了油脂性状的关键基因及变异位点,揭示了在长期驯化中,油茶在人工选择作用下进化为以种子油脂为栽培目的的木本油料树种的驯化遗传机制。该研究有效促进了对油茶油脂合成调控的解读,对指导油茶遗传育种、加速分子育种进程具有重要意义。

  未来,团队将在二倍体油茶基因组的基础上,进一步解析多倍性油茶种质资源的基因组,挖掘和鉴定油脂产量与品质、重要功能性成分等性状的主效基因或基因型,开展重要经济性状的分子标记辅助精准预测,为油茶分子育种奠定工作基础。


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