中國菰（Zizania latifolia）原產(chǎn)于中國，屬于禾本科稻族菰屬，主要分布于中國、韓國、日本和印度等國家。中國菰的穎果為菰米（圖1），在我國古代是重要的“六谷”之一。對于野生植物而言，易落粒有利于后代繁衍，而對于栽培作物而言，易落粒導(dǎo)致收獲指數(shù)和產(chǎn)量嚴重降低。中國菰具有生物量大、耐深水、灌漿成熟快、籽粒蛋白質(zhì)含量高和抗稻瘟病等優(yōu)良性狀，但是由于未經(jīng)過人工馴化，其種子成熟過程中極易脫離母體形成落粒。因此，開展落粒性相關(guān)研究對于中國菰的快速馴化以及培育落粒性減弱的品種具有重要意義。但是，由于缺乏高質(zhì)量基因組，中國菰的遺傳學(xué)及其落粒性基因研究遠遠落后于水稻等重要禾本科作物。

圖1 中國菰的植株、花序和種子

2022年1月11日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所煙草功能成分與綜合利用創(chuàng)新團隊與中國水稻研究所、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所等單位聯(lián)合，完成了首個中國菰染色體水平基因組組裝，并通過共線性分析和轉(zhuǎn)錄組測序鑒定到中國菰落粒性相關(guān)基因。相關(guān)研究成果以Chromosome-level genome assembly of Zizania latifolia provides insights into its seed shattering and phytocassane biosynthesis為題發(fā)表在《自然》旗下期刊Communications Biology上。

研究團隊運用第三代Nanopore、二代Illumina和高通量染色體捕獲技術(shù)進行全基因組測序與組裝，獲得中國菰基因組全長547.38Mb，其中含有38 852個基因以及52.89%的重復(fù)序列，重疊群（Contig N50）為4.78 Mb，基因組骨架（Scaffold N50）為32.79 Mb，其中545.36 Mb基因組序列被定位到17條染色體上，掛載率高達99.63%（圖2）。

圖2 中國菰基因組信息

系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)，中國菰與假稻（Leersia perrieri）和稻屬（Oryza）植物親緣關(guān)系更近，其分化時間約為19.7-31.0 Mya。研究還發(fā)現(xiàn)，中國菰和水稻基因組之間存在顯著的共線性，而通過與水稻落粒性基因共線性分析鑒定出中國菰落粒性相關(guān)基因，并分析了這些基因在離層形成和降解過程中的表達特性（圖3）。該研究為中國菰落粒性基因編輯提供了候選靶點，有助于加速中國菰落粒性的定向馴化改良。

圖3 中國菰離層形成和降解期間的組織學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析以及落粒性相關(guān)基因的表達特性

煙草研究所閆寧副研究員、博士后楊婷、碩士生于秀婷和深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所商連光研究員為論文共同第一作者，煙草研究所張忠鋒研究員、閆寧副研究員和中國水稻研究所錢前院士為論文共同通訊作者。該研究得到了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42003-021-02993-3

報道原文：Commun. Biol. | 中國農(nóng)科院多單位聯(lián)合發(fā)布首個中國菰染色體水平基因組，并鑒定落粒性相關(guān)基因