山農(nóng)大破譯五節(jié)芒基因“密碼”
為種質(zhì)利用和新品種創(chuàng)制提供理論支撐
圖為五節(jié)芒。（□王桂利供圖）
□記 者 王桂利
通訊員 郭翠華 報道
本報泰安訊 5月6日，國際著名期刊《自然植物》（Nature Plants）在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院陳翠霞教授課題組的研究成果。該成果破譯了五節(jié)芒基因組，解析芒屬植物基因進化歷史，并揭示了芒草中纖維素或半纖維素含量高的分子機制，為種質(zhì)利用和新品種創(chuàng)制提供了理論支撐。
長在荒地里的芒草是一種高大的野草，這種看起來平平無奇的禾本科植物是世界上最具開發(fā)潛力和廣泛用途的重要木質(zhì)纖維素原料作物，可以用來生產(chǎn)生物質(zhì)燃料酒精。芒草在我國分布廣泛，主要有芒、五節(jié)芒、荻和南荻等種類。“這類植物生長速度快、生物產(chǎn)量高、易繁殖、抗逆性強，可在荒草地、鹽堿地、沼澤灘涂等邊際土地上種植生長。它用途廣泛，如固土保水、改良土壤、改善生態(tài)環(huán)境，作為可再生生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為熱能、電能、液體燃料等，用作畜禽飼草，是很好的木質(zhì)纖維素原料作物。”陳翠霞告訴記者。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者對芒屬植物進行了深入研究。高粱和甘蔗野生種基因組已被學(xué)者們破譯，但芒屬植物由于基因組龐大、重復(fù)序列多和高度雜合等特性，一直缺乏高質(zhì)量染色體級別的參考基因組。
陳翠霞課題組經(jīng)過十余年的研究，對芒屬植物代表性物種五節(jié)芒的基因組高深度測序數(shù)據(jù)進行分析，計算出其基因組大小為2462.35Mb，雜合度為1.89%，重復(fù)序列比例為73.42%。考慮到五節(jié)芒基因組的復(fù)雜度，他們綜合利用了二代、三代、10xGenomics等測序方式，并通過Hi-C掛載到五節(jié)芒的19條染色體上，再先后用遺傳圖譜數(shù)據(jù)和BioNano數(shù)據(jù)進行修正和驗證，并進行了基因組的基因注釋和轉(zhuǎn)座子注釋等。結(jié)果表明，他們組裝得到的五節(jié)芒基因組是染色體級別的高質(zhì)量參考基因組。通過進一步研究，他們又確定了五節(jié)芒8號染色體是由高粱祖先種4號和7號染色體融合而來，并鑒定出新融合染色體的著絲粒位置。
在上述研究成果基礎(chǔ)上，陳翠霞課題組又繪制出高粱、甘蔗和五節(jié)芒基因組之間或組內(nèi)共線性基因的洛倫茲曲線（Ks plot），推斷三個物種之間的具體進化關(guān)系和時間。他們認為，芒草、甘蔗祖先種與高粱祖先種在約550至610萬年前發(fā)生了分化，而后在約430至460萬年前芒草與甘蔗屬祖先基因又發(fā)生分化，通過基因組加倍、染色體重排等分別演變成現(xiàn)在的芒屬植物和甘蔗野生種。
“我們還鑒定了高粱、甘蔗和五節(jié)芒中纖維素合酶CesA/Csl家族基因，構(gòu)建了系統(tǒng)進化樹。”陳翠霞說。課題組對五節(jié)芒不同組織部位纖維素合酶基因表達量進行檢測，發(fā)現(xiàn)在正伸長的莖稈組織中高表達，與芒屬植物所有基因的表達量相比，大部分CesA和部分Csl基因表達水平最高，這與芒屬植物極高的纖維素或半纖維素含量相吻合。
陳翠霞說，十余年前，受石油價格上漲的影響，歐美發(fā)達國家紛紛投入大量資金研究可再生能源，木質(zhì)纖維素作物，如芒草、柳枝稷等成為科學(xué)家研究的重點。近期木質(zhì)纖維素作物基因組成果頻出，就是十多年來不間斷研究的成效。
芒屬植物起源于東南亞，在我國具有豐富的遺傳多樣性。為此，陳翠霞課題組還搜集了芒、荻、南荻、五節(jié)芒等國內(nèi)多個芒屬代表性物種及巨芒等國外雜交種共75個居群，對它們進行二代全基因組重測序，并對測序得到的變異位點分類和進化樹構(gòu)建。他們根據(jù)研究結(jié)果推測，芒屬植物之間存在著廣泛的種間雜交和漸滲作用，這為通過雜交培育出更優(yōu)異的芒屬或甘蔗屬植物品種提供了理論支持。
據(jù)陳翠霞介紹，課題組在黃河三角洲鹽堿地已開展了近八年的種植試驗工作，目前共種植20多畝的試驗材料，適應(yīng)性良好，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性。這對于鹽堿地的脆弱生態(tài)恢復(fù)、土壤改良和開發(fā)利用，乃至糧食安全和生態(tài)安全意義深遠。
