分类: 基因组测序

2022年6月2日,福建农林大学海峡联合研究院基因组中心张积森教授团队研究成果”Genomic insights into the recent chromosome reduction of autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum“在线刊登Nature Genetics!该研究基于高准确性的HiFi测序模式与Hi-C技术完成了割手密天然同源四倍体Np-X基因组的破译,并结合自然种质材料解析了割手密起源、染色体基数变化与演化、关键性状相关基因进化等重要机制,为加速甘蔗改良提供了新的方向。百迈客有幸参与本项研究,完成其中HiFi、Hi-C测序等工作。同时,这也是百迈客继2018年助力该团队解析甘蔗基因组(Zhang J et al.,Nat Genet. 2018)后的再次合作。百迈客十年如一的高品质服务,为广大科研工作保驾护航。

论文亮点

甘蔗属是具有重要经济价值的作物,但其遗传背景极其复杂,限制了甘蔗的进一步育种改良。具有广泛分布的甘蔗细茎野生种割手密(S. spontaneum)为现代栽培种甘蔗贡献了抗逆、分蘖等优良性状,实现了甘蔗的育种史上最大的突破。割手密倍性和染色体基数的广泛变异是甘蔗育种最为重要的种质资源,为研究植物同源多倍体基因组的进化提供了一个良好的模型。如何将天然同源四倍体的四套同源基因组完整组装?不同倍性与染色体基数如何演化?这都是甘蔗基因组研究最为有趣和重要的地方也是最难以攻破之处。本次研究在构建高质量基因组的基础上进一步解析了甘蔗复杂的演化之路:(1)本次研究完成了割手密 Np-X(2n=4x=40)高质量同源多倍体基因组测序,完整的组装了10组同源染色体的共40条染色体基因组。(2)Saccharum中的一对古复制染色体NpChr5和NpChr8经历了分裂,随后融合并伴随着着丝粒分裂。重组时带有着丝粒结构的染色体片段融合入另外一条完整的染色体,导致x = 8中出现“双着丝粒”现象。(3)甘蔗分别在6.4 Mya和4.0 Mya时与高粱和芒草发生分化。在甘蔗中,割手密与S. officinarum在~1.6 Mya发生分化,两个割手密材料Np-X(x=10)和AP85-441(x=8)在~0.8 Mya分化,表明AP85-441中的染色体减少是最近发生的。比较基因组结合转录组共同解析两个甘蔗种“近期”独立分化的且与糖分代谢、生物量、光合等相关的基因,为甘蔗的分子辅助育种提供重要的理论指导。(4)研究推断Np-X(x=10)最有可能代表祖先的核型,核型x=9和x=8可能是以逐步方式进化而来。割手密起源于印度北部的一个x=10的祖先,然后传播到印度次大陆、中国和东南亚的四个主要群体。在染色体减少过程中,基因组中受自然选择区可能参与多糖代谢和胁迫耐受过程。

团队介绍

福建农林大学海峡联合研究院基因组中心张积森课题组博士生张清(目前中国农科院深圳农业基因组研究所工作)、齐浥颖、硕士生潘浩然和基因组中心唐海宝教授为论文共同第一作者,基因组中心张积森教授为通讯作者。张积森教授团队长期从事以甘蔗基因组学与分子育种研究,该成果是基因组中心团队在甘蔗领域发表的第2篇Nature Genetics论文,作为近60年以来发表研究刊物最高的甘蔗论文,该研究将进一步奠定我国在甘蔗基础研究领域的领先学术地位。

张积森 教授

主要从事以甘蔗为主的热带、亚热带作物基因组及其生物学性状研究,特别对甘蔗的基因组学及其重要性状的分子生物学进行了有系统的研究。先后国家重点研发项目课题(甘蔗)、主持863子课题、国家重点研发项目子任务、国家自然基金、福建省重大专项课题等研究项目20项;参与国家自然科学基金项目和农业部项目等项目10项。在Cell, Nature Genetics, PNAS, Genome Research,Genome biology,Current Opinion in Plant Biology,Plant Biotechnology Journal,Plant Cell & Environment,Journal of Experimental Botany等刊物上发表各类文章110多篇,其中SCI收录论文74篇。共同主编教材1部,副主编教材两部。2004年以来一直从事甘蔗生物学研究,近十年带领团队以甘蔗分子育种为目标,取得一定的学术成绩:1)国际上首次完成了甘蔗属核心材料的全基因组图谱,引领甘蔗研究进入后基因组时代。2)取得甘蔗原始种种质资源演化和遗传学领域突破性进展,回答了甘蔗研究领域的两个基础科学问题。3)系统鉴定了原始种种间糖分、光合等生物学性状相关的差异关键基因。主要研究结果2次发表在《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志(2018,2022)。

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