作為一半以上地球人賴以生存的糧食作物，水稻最近有了一份超級(jí)泛基因組圖譜。深圳科學(xué)家組裝了251份高質(zhì)量的水稻基因組，獲得了迄今為止植物中群體規(guī)模最大的基因組學(xué)研究成果。

近日，《細(xì)胞生物學(xué)（CellResearch）》雜志上發(fā)表了由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院（深圳）農(nóng)業(yè)基因組研究所（下稱“基因組所”）牽頭組織，與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國水稻研究所、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等單位聯(lián)手完成的《水稻超泛基因組圖譜》，幫助人類更好地了解水稻功能基因和利用種質(zhì)資源。

栽培過萬年丟失眾多功能基因

專家表示，泛基因組是指一個(gè)物種內(nèi)所有基因組信息的總和，相比單一參考基因組，泛基因組信息包含了豐富的遺傳多樣性，可有效降低參考基因組偏差對(duì)遺傳變異檢測的影響。

為了更好地研究稻屬的遺傳變異，科研人員從5年前開始啟動(dòng)了這項(xiàng)研究。

考古學(xué)研究成果揭示，人類最早栽培水稻的歷史距今已有逾1萬年。“水稻馴化的過程中經(jīng)歷了高強(qiáng)度的人工選擇，導(dǎo)致栽培稻相對(duì)于野生稻祖先遺傳多樣性減少，成為目前培育水稻品種的制約因素之一。”該研究的第一作者、基因組所研究員商連光告訴記者，特別是近15年，水稻培育更側(cè)重于高產(chǎn)，產(chǎn)量平均提升了13.33%，卻喪失了更多的有利基因，比如一些抗病、氮高效基因。

水稻是中國第一大糧食作物，中國也是世界上最早種植水稻的國家。在水稻基因組學(xué)研究上，中國也一直走在世界前列。20年前，中國科學(xué)家獨(dú)立繪制完成并成功“解讀”了水稻基因序列，這也是人類第一次在基因組層面認(rèn)識(shí)了水稻。5年間，中國科學(xué)家已完成構(gòu)建4個(gè)水稻泛基因組，包括使用453個(gè)亞洲栽培稻種質(zhì)的短讀長構(gòu)建的泛基因組、使用53亞洲栽培稻和13個(gè)普通野生稻種質(zhì)的短讀長迭代組裝的泛基因組、使用32個(gè)亞洲栽培稻和1個(gè)非洲栽培稻種質(zhì)的長讀長組裝而成的泛基因組和使用105個(gè)亞洲栽培稻和6個(gè)普通野生稻的長讀長組裝而成的泛基因組。

“稻屬供應(yīng)了地球一半以上人類的口糧，但其實(shí)只有亞洲稻和非洲稻兩個(gè)種，它們之間不僅是地理上遠(yuǎn)隔重洋，從基因組學(xué)研究上看也是獨(dú)立起源，有著生殖隔離。”商連光表示，此前的研究不僅沒有實(shí)現(xiàn)亞洲稻、非洲稻的系統(tǒng)化比較和研究，兩種野生稻中還存有大量的遺傳變異未被發(fā)掘，也未能實(shí)現(xiàn)群體水平最完整的序列多樣性分析。這項(xiàng)研究通過地理分布來源、基因型和表型變異精心選擇了251份水稻材料，其中包括了202份亞洲栽培稻、28份普通野生稻、11份非洲栽培稻和10份短舌野生稻。

這項(xiàng)研究涉及數(shù)據(jù)非常龐大，僅高深度、長讀長（也稱“三代測序”）測序數(shù)據(jù)多達(dá)9.42萬億字節(jié)（TB）。該研究的并列第一作者、基因組所在讀博士生李笑霞表示，研究人員利用基因組所和中國水稻研究所提供的超算平臺(tái)，對(duì)251份水稻核心種質(zhì)資源的原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組組裝、基因組注釋等分析工作，進(jìn)而構(gòu)建了目前植物中群體規(guī)模最大、基因組注釋最充分、研究最為系統(tǒng)的稻屬超級(jí)泛基因組，“我們還通過自主研發(fā)組裝工具，提升數(shù)據(jù)處理效能。”

整合數(shù)據(jù)開發(fā)在線網(wǎng)站

通過這項(xiàng)研究，科研人員不僅獲得了一份高質(zhì)量的稻屬泛基因組圖譜，并整合數(shù)據(jù)開發(fā)了在線網(wǎng)站，讓科研人員能高效方便地利用這些海量的基因組學(xué)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)檢索，科研人員可根據(jù)研究需要，高效地獲得特定水稻品種基因組序列、基因的在群體中的變化。

上海師范大學(xué)教授黃學(xué)輝評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究是水稻基因組學(xué)研究中一項(xiàng)里程碑式的工作。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜評(píng)價(jià)，該項(xiàng)研究是植物研究領(lǐng)域的頂級(jí)資源和研究成果，不僅是前沿科學(xué)挑戰(zhàn)的新突破，同時(shí)對(duì)水稻甚至其他植物的功能研究和分子育種具有不可估量的價(jià)值。

日前，科研人員將這251份水稻資源種植在深圳市大鵬新區(qū)的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳綜合試驗(yàn)基地

種質(zhì)資源收集是保障國家糧食安全的“國之重器”。目前，科研人員將這251份水稻資源種植在深圳市大鵬新區(qū)的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳綜合試驗(yàn)基地。商連光表示，這些水稻之間差異甚大，最高的2米，最矮的僅70厘米，都是非常具有代表性的全球核心種質(zhì)資源。

結(jié)合這項(xiàng)研究所取得的高質(zhì)量組學(xué)數(shù)據(jù)，育種人員還可充分利用這251份水稻資源，進(jìn)行優(yōu)異基因聚合，創(chuàng)制新的育種材料，實(shí)現(xiàn)更高水平的分子設(shè)計(jì)育種，加速完成將更多優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、廣適、綠色水稻的良種材料把握在自己手中的使命。

審讀：孫世建   蔣祝璇

讀創(chuàng)編輯李紅