全球首个高质量油茶基因组图谱问世

原标题:揭开“身世”之谜!我国科学家破译油茶遗传密码

1月13日,记者从中国林业科学研究院亚热带林业研究所(以下简称中国林科院亚林所)获悉,该所研究团队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。相关成果于1月10日在线发表在国际著名学术期刊《基因组生物学》上。

图为油茶基因组重复序列分析。 中国林科院亚林所供图

打开生命的“黑匣子”,全球首个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,具有一定栽培面积的,有经济栽培价值的物种的总称,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,具有极高的保健价值,被誉为“液体黄金”。

图为油茶果实。 王开良 摄

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,其杂合率达到了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。

为此,研究团队经过4年多的努力,通过三代测序技术获得了二倍体油茶的基因组图谱,并将基因组锚定到15条染色体上,锚定率达到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的遗传标记连锁图谱,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”,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。

进入精细育种时代,实现从传统育种向基因组育种跨越

区别于以叶用为目的的茶和以观赏为目的的山茶,油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,使其成为研究植物种子油脂性状驯化的绝佳材料。

为揭秘油茶的“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的起源和演化机制的奥秘。

为进一步揭示油茶油脂性状驯化的分子机制,研究团队又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。

正如中国科学院院士钱前所说,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。

保障粮油安全“重要法宝”,缩短育种周期提升育种效率

作为我国特有的、种植历史悠久的木本油料作物,油茶至今已有2300多年的栽培和食用历史。随着油茶产业迅速发展,油茶已然成为农民增收、保障粮油安全和助力乡村振兴的“重要法宝”。

然而,由于油茶具有童期长、“抱子怀胎”(从开花到果实成熟需要整1年)等特性,油茶育种年限长,新品种选育缓慢,选育速度无法满足产业发展需求,严重阻碍了油茶产业的发展。

基于此,研究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,苗期选择效率可达到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。

未来,研究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,为油茶分子育种提供工作基础。

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