華大基因等單位完成谷子基因組測序
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zui重要的糧食作物，被稱為“五谷”，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.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38，80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（0X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0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2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)研究華大基因等單位完成谷子基因組測序和新品種選育提供了一個(gè)全新的支撐平臺(tái)。”