7月18日，四川農(nóng)業(yè)大學小麥研究所彭遠英教授研究團隊的論文《基于參考基因組揭示六倍體燕麥的起源和進化》在國際知名學術(shù)期刊《自然·遺傳學》（Nature Genetics）上在線發(fā)表，小麥所魏育明教授為共同通訊作者。該項研究首次破譯六倍體栽培裸燕麥的基因組，繪制出燕麥的“基因密碼圖”。審稿人評價這一研究“代表了植物基因組學特別是谷物基因組學的重大進展”。該項研究將加速栽培燕麥的遺傳改良和分子設(shè)計育種，對培育優(yōu)良燕麥品種、提升燕麥產(chǎn)業(yè)競爭力、保障糧食安全將產(chǎn)生重要作用。

      

燕麥進化歷史

      

      解碼燕麥的“中國芯”

      

      燕麥作為營養(yǎng)價值很高的糧、飼兼用型作物而在全球得到青睞，隨著人們對營養(yǎng)與保健需求的提高，它已成為一種重要的谷物。近年來，我國燕麥產(chǎn)業(yè)以年產(chǎn)值20%以上的增速快速發(fā)展，2021年僅燕麥籽粒消費量已接近100萬噸，燕麥干飼草量約為300萬噸。

      

      目前，燕麥廣泛分布在五大洲42個國家。世界各國的栽培種以皮燕麥為主，而我國主要種植裸燕麥。相比之下，裸燕麥加工工藝更加簡單，具有更高的蛋白和粗脂肪含量，且氨基酸組成更加平衡，極具研究價值。

      

      中國作為裸燕麥的起源和種植中心，具有豐富的裸燕麥遺傳多樣性。此次發(fā)表的成果正是以我國地方裸燕麥品種“三分三”為研究材料，繪制出了燕麥基因組21對染色體的分子圖譜，注釋出了12萬個蛋白編碼基因，為科研人員解析燕麥基因組進化和馴化提供了高質(zhì)量的基因組信息和全新視角。

      

      “中國作為六倍體栽培裸燕麥的起源和種植中心，我們需要明確我國特有的裸燕麥基因組信息以進一步挖掘基因資源。”論文第一和共同通訊作者、四川農(nóng)大小麥研究所彭遠英教授表示：“有了基因組圖譜，我國裸燕麥的育種和遺傳研究就會進入快車道。”

      

      據(jù)了解，該研究論文在國家燕麥蕎麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和國家自然科學基金的支持下，由四川農(nóng)業(yè)大學、吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學院聯(lián)合中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所、四川大學、西昌學院、中國農(nóng)業(yè)科學院和武漢希望組生物科技有限公司共同合作完成。

      

      “這項研究全部由中國人自己完成，牢牢把種質(zhì)資源握在我們自己手里，讓燕麥品種裝上更多‘中國芯’。”彭遠英說。

      

      “千呼萬喚始出來”的裸燕麥參考基因組

      

      早在新世紀伊始，科學家們就將基因組測序的目標鎖定到農(nóng)作物身上。2002年水稻基因組圖譜便已發(fā)表，此后玉米、馬鈴薯、大豆、小麥等眾多主要農(nóng)作物的基因組測序也相繼完成。時隔20年，燕麥的基因組測序結(jié)果姍姍來遲，究其原因是其研究難度極大。

      

      現(xiàn)有的栽培燕麥在漫長進化過程經(jīng)自然雜交和加倍，從最初二倍體最終形成由約110億個堿基對組成的六倍體，基因組龐大而復雜，體量約為水稻基因組的40倍，致使其基因組測序組裝研究非常困難，是迄今為止科學家測序的所有物種中最復雜的基因組之一。

      

      彭遠英告訴記者：“針對六倍體燕麥在研究過程中可能遇到的問題，我們設(shè)計選用了可進行更長DNA片段高精確度測序的超長測序技術(shù)，并根據(jù)常年的研究經(jīng)驗，選擇了栽培燕麥最可能的四倍體和二倍體祖先，結(jié)合HiC、二代測序和全長轉(zhuǎn)錄組測序等不同技術(shù)手段，最終獲得了裸燕麥的高質(zhì)量參考基因組。”

      

      人們吃的栽培燕麥誕生在50萬年前

      

      在獲得燕麥參考基因組基礎(chǔ)上，該研究還發(fā)現(xiàn)燕麥屬物種約在800萬年前產(chǎn)生。而在約50萬年前——人類舊石器時代，現(xiàn)在廣泛種植和食用的六倍體栽培燕麥就已通過雜交形成了。

      

      “燕麥作為六倍體作物，它在生物量、活力和對環(huán)境變化的適應性方面均具有顯著優(yōu)勢，在應對糧食安全挑戰(zhàn)中可以發(fā)揮其獨特作用。”彭遠英表示，深入了解燕麥的進化歷史將極大地促進滲透育種，并能將性狀從其最接近的野生親緣轉(zhuǎn)移到栽培燕麥中，推動燕麥優(yōu)良品種的選育。

      

      此外，該研究根據(jù)參考基因組序列和注釋信息預測了燕麥皮裸籽粒和抗病等重要性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因位點，體現(xiàn)了參考基因組在重要性狀基因挖掘和燕麥分子育種方面的重要價值。彭遠英的思考很長遠：燕麥參考基因組的構(gòu)建作為燕麥研究邁入基因組時代的第一步，將使燕麥的全基因組選擇育種和精準育種成為可能。“我們現(xiàn)在可以開始考慮如何使用現(xiàn)代育種策略，進一步改進和開發(fā)特定的燕麥品種，以滿足全球?qū)ζ淙找嬖鲩L的需求。”彭遠英表示。

      

      接下來，該團隊還將結(jié)合原有研究優(yōu)勢，在已有基礎(chǔ)上進一步深入開展燕麥起源、馴化和優(yōu)異基因資源發(fā)掘與利用等研究工作，期望能進一步推動燕麥的應用基礎(chǔ)研究和育種。

      

      作者：楊雯