2012年5月14日,，由深圳華大基因研究院和張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位合作完成的谷子基因組研究成果于國際著名雜志《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）上在線發(fā)表,。在本研究中，科研人員成功構(gòu)建了谷子全基因組序列圖譜,，為揭示谷子抗旱節(jié)水,、豐產(chǎn)、耐瘠和高光合作用效率等生理機(jī)制的研究提供了新的途徑,，并為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì),、抗逆谷子新品種的培育奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
隨著水稻,、玉米,、高粱、短柄草等重要禾本科物種的基因組相繼被解密,，科研人員更加迫切地希望能夠破解更多的重要禾本科作物基因組,，以期能揭示重要禾本科作物的保守性及差異性,、闡明禾本科作物的基因組進(jìn)化過程、進(jìn)一步挖掘作物重要性狀功能基因,。谷子是重要的禾本科作物之一,，其脫殼前被稱為谷子，脫殼后被稱為小米,，是中國古代最重要的糧食作物,，被稱為“五谷之首”，從南到北均曾被廣泛種植,。谷子是二倍體自花授粉作物,，其基因組較小（約470 Mb）,，具有豐富的遺傳多樣性（約6000個(gè)品種）,，種質(zhì)資源保存較完整。此外,，它還具有生育期短,、單株籽粒多、適應(yīng)性廣,、抗旱,、耐瘠、采用C4光合途徑等特點(diǎn),。這些特性使谷子能夠成為一個(gè)很好的抗旱機(jī)理及C4光合系統(tǒng)發(fā)育與調(diào)控研究的新模式作物,。
在本研究中，來自華大基因的科研人員通過新一代測序技術(shù)對一個(gè)來自中國北方的谷子品系（zhang gu）進(jìn)行了全基因組測序和組裝,，獲得了谷子的全基因組序列圖譜（組裝得到的基因組大小約為423Mb,，N50達(dá)到了1.0Mb）。通過基因組注釋和分析發(fā)現(xiàn),，谷子基因組中的重復(fù)序列約占整個(gè)基因組的46%,，大約含有38，801個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因,。
為了構(gòu)建遺傳圖譜,，研究人員對另一谷子品系A(chǔ)2進(jìn)行了重測序（10X基因組）。研究人員利用兩個(gè)親本（zhang gu和A2）的F2代群體,，繪制了高密度的遺傳圖譜,。該遺傳圖譜不僅輔助了基因組的組裝，同時(shí)為谷子性狀研究奠定了基礎(chǔ),。例如，通過將谷子的基因組序列,、遺傳圖譜及其后代表型等信息相結(jié)合,，研究人員準(zhǔn)確地找到了谷子中與抗稀禾定（一種除草劑）性狀相關(guān)的基因,，印證了之前研究表明的一個(gè)單核苷酸突變位點(diǎn)（SNP）可能是導(dǎo)致植株對稀禾定敏感性發(fā)生改變的結(jié)論。
谷子和水稻大約在5000萬年前（50Mya）開始分化,，二者分化之后的基因組結(jié)構(gòu)仍存在明顯的共線性,。在本研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)谷子的2號和9號染色體分別由水稻的7號和9號,、3號和10號染色體融合而成,，同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這兩次融合事件也發(fā)生在高粱的染色體中,，由此,，研究人員推測這兩次染色體融合事件應(yīng)該發(fā)生在谷子和高粱分化之前。此外,，研究人員還發(fā)現(xiàn)了谷子獨(dú)立分化出來之后的一次特異性染色體融合事件,，即谷子的3號染色體是由水稻的5號和12號染色體或高粱的8號和9號染色體融合而成。這些染色體重組事件是物種遺傳變異及物種分化的重要基礎(chǔ),。
谷子屬于C4植物,，與C3植物（如水稻和小麥）相比具有較高的水分利用效率和光合效率。為了揭示C4植物和C3植物在光合作用過程中遺傳機(jī)制上的差異性,，研究人員對谷子中與光合作用有關(guān)的重要基因進(jìn)行了分析,，發(fā)現(xiàn)C4植物和C3植物均有與碳固定途徑有關(guān)的基因且相關(guān)基因在拷貝數(shù)目上的變化差異不大。由此,，他們推測C4植物中的C4途徑可能是由于調(diào)控表達(dá)的差異所引起的功能上的改變導(dǎo)致的,。
在全球氣候劇烈變化、耕地資源不斷減少,、水資源日益短缺的情況下,，大力培育和推廣優(yōu)良谷子品種將有助于提高土地利用率，節(jié)約灌溉用水,，增加糧食產(chǎn)量,，合理膳食結(jié)構(gòu)，改善人民健康,。華大基因研究院副院長張耕耘表示：“谷子全基因組序列圖譜的完成是進(jìn)行禾本科比較基因組學(xué)研究和功能基因挖掘的重要進(jìn)展,。此外，谷子基因組數(shù)據(jù)為谷子的生物學(xué)研究和新品種選育提供了一個(gè)全新的支撐平臺,。”（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nbt.2195
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Genome sequence of foxtail millet (Setaria italica) provides insights into grass evolution and biofuel potential
Gengyun Zhang,1, 2, 6 Xin Liu,1, 6 Zhiwu Quan,1, 2, 6 Shifeng Cheng,1, 6 Xun Xu,1, 2, 3, 6 Shengkai Pan,1, 6 Min Xie,1 Peng Zeng,1 Zhen Yue,1 Wenliang Wang,1 Ye Tao,1 Chao Bian,1 Changlei Han,1 Qiuju Xia,1, 2 Xiaohua Peng,1, 2 Rui Cao,1 Xinhua Yang,1 Dongliang Zhan,1 Jingchu Hu,1 Yinxin Zhang,1, 2 Henan Li,1, 2 Hua Li,1, 2 Ning Li,1, 2 Junyi Wang,1 Chanchan Wang,1, 2 Renyi Wang,1, 2 Tao Guo,1, 2 Yanjie Cai,1, 2 Chengzhang Liu,1, 2 Haitao Xiang,1, 2 Qiuxiang Shi,1, 2 Ping Huang,1, 2 Qingchun Chen,1, 2 Yingrui Li,1 Jun Wang,1, 4 Zhihai Zhao5 & Jian Wang1, 2 et al.
Foxtail millet (Setaria italica), a member of the Poaceae grass family, is an important food and fodder crop in arid regions and has potential for use as a C4 biofuel. It is a model system for other biofuel grasses, including switchgrass and pearl millet. We produced a draft genome (~423 Mb) anchored onto nine chromosomes and annotated 38,801 genes. Key chromosome reshuffling events were detected through collinearity identification between foxtail millet, rice and sorghum including two reshuffling events fusing rice chromosomes 7 and 9, 3 and 10 to foxtail millet chromosomes 2 and 9, respectively, that occurred after the divergence of foxtail millet and rice, and a single reshuffling event fusing rice chromosome 5 and 12 to foxtail millet chromosome 3 that occurred after the divergence of millet and sorghum. Rearrangements in the C4 photosynthesis pathway were also identified.
