2023年12月19日

高清解码全才芒草

作者 admin

山东农业大学实验基地的芒草。陈翠霞供图

 

芒草是一种生长在荒地中的高大杂草。 虽然不起眼且不被人注意,但这种禾本科植物是世界上最有前途的木质纤维素原料作物之一,可用于生产生物燃料乙醇。

近日,山东农业大学农学院陈翠霞教授课题组破译了芒草染色体水平参考基因组图谱,分析了芒草的遗传进化史,揭示了芒草高纤维素或高纤维素的分子机制。芒草中的半纤维素含量。 种质利用和新品种创制提供理论支撑。 相关成果在线发表于《Nature Plants》上。

半年三篇高水平论文聚焦芒草

从《Nature Communications》发布芒草和芒草基因组,到《Nature Plants》发布芒草基因组,自2020年10月底以来的6个月时间里,Nature子刊已发表了3种芒草的基因组研究成果。 为什么科学家如此关注芒​​草?

“芒草是最具潜力的生物能源作物。” 芒草基因组论文通讯作者陈翠霞告诉《中国科学报》,该类植物木质纤维素比例高,生长速度快,生物产量高,且易于繁殖。 抗逆性强,可在草原、盐碱地、沼泽、滩涂等边际土地上种植生长。

不仅如此,它还有广泛的用途。 可以稳定水土、改良土壤、改善生态环境; 作为可再生生物质原料,可转化为热能、电能、液体燃料等; 也可用作畜禽饲料。

陈翠霞说,十多年前,受油价上涨影响,欧美发达国家大力投入可再生能源研究,芒草、柳枝稷等木质纤维素作物成为研究重点。 近期木质纤维素作物基因组结果频出,这是十几年持续研究的成果。

事实上,中国是芒草的重要原产地之一。 在中国,芒属植物分布广泛,具有丰富的遗传多样性。 陈翠霞表示,正是我国丰富的种质资源,为他们的研究工作奠定了坚实的基础。

然而,“芒草植物自交不亲和,基因组庞大且高度杂合,这给其遗传研究带来了巨大的困难和挑战。” 陈翠霞说,由于芒草植物基本上是杂草,生物学、细胞学和遗传特征的知识几乎为零,他们对其的研究十几年可谓“从头开始”。

“揭示芒草基因组密码并分析其进化过程,对于了解其遗传基础、快速有效利用、创制新种质具有重要的理论意义和应用价值。” 论文作者、山东农业大学教授张先胜说。

高粱、芒草和甘蔗来自同一祖先

在物种进化过程中,基因组多倍化是植物进化和新物种产生的最重要方式之一。 “这种现象在高粱、芒草和甘蔗这三种禾本科甘蔗亚科植物中得到了充分体现。” 陈翠霞说道。

最近的研究发现芒草、高粱和甘蔗的基因组密切相关。 芒草和甘蔗的共同祖先与高粱的祖先分化后,分别经历了一次和两次基因组加倍和染色体重排,进化成了现在的芒草和甘蔗植物。 目前,高粱、甘蔗等野生物种的基因组已被破译,但芒草一直缺乏高质量的染色体水平参考基因组。

论文第一作者、山东农业大学副教授张国斌告诉中国科学报,他们对芒属植物代表种芒草的基因组深度测序数据进行了分析,计算出其基因组大小为2462.35 Mb,其杂合度为1.89。 %,重复序列比例为73.42%。

考虑到五角谷基因组的复杂性,他们综合利用二代、三代、10x Genomics等测序方法,利用Hi-C技术将其安装在五角谷的19条染色体上。 他们先后利用遗传图谱和BioNano数据进行校正和验证,进行基因注释和转座子注释,组装出染色体水平的高质量参考基因组。

研究团队进一步推断了三个物种的具体进化关系和时间。 芒草、甘蔗和高粱的祖先物种在约610万至550万年前发生分歧,芒草和甘蔗的祖先物种在约460万至430万年前再次发生分歧。

一方面,芒草在接下来的 400 万年里经历了基因组多倍化和染色体重排。 其中,“我们发现芒草的8号染色体来源于高粱祖先物种4号和7号染色体的融合,并发现了新融合染色体的着丝粒位置。” 张国斌说,这解释了芒属植物基因组为何在倍增后有19条染色体,而不是20条?

另一方面,甘蔗植物在大约300万年的时间里维持了10条基本染色体数,然后经历了染色体重排。 大约100万年前,甘蔗的祖先物种经历了连续两次全基因组加倍,辅以轻微的染色体重排,成为今天的野生甘蔗物种。

基因资源“全才”

一些专家认为,芒草除了作为能源植物外,其高抗性还可能为水稻和小麦等禾本科植物带来丰富的遗传资源。 吴杰芒就像一个遗传资源的“全才”。

“我们在高粱、甘蔗和芒草中鉴定出了纤维素合酶 CesA/Csl 家族基因。” 陈翠霞表示,芒草是能源植物,人们主要利用其木质纤维素,因此研究纤维素合酶非常有必要。

通过比较不同生长阶段的五节芒,他们发现伸长的茎组织中纤维素合酶的表达水平非常高。 与芒草中所有基因的表达量相比,大多数CesA和部分Csl基因的表达量最高,这与芒草中极高的纤维素或半纤维素含量相一致。

长期以来,陈翠霞研究团队从芒草、地芒、南地芒、五结芒等多个国内芒属代表种,以及巨芒草等国外杂交种,共收集种质资源75份。 ,并对它们进行了第二代全基因组重测序。 在芒属植物中发现了广泛的种间杂交。

“芒草和甘蔗可以成功杂交。” 陈翠霞说,由于芒草具有自交不亲和性,因此芒草属内部可以实现种间杂交,甚至可以与密切相关的作物发生跨属杂交。 这为通过杂交选育更好的芒草、高粱或甘蔗植物品种提供了理论支持。

陈翠霞介绍,高粱与芒草同属甘蔗亚科,是世界重要的粮食作物。 甘蔗是重要的经济作物。 芒草可以与其杂交,意味着它具有抗病、抗旱、抗涝、抗盐碱、耐瘠薄的特性,很可能成为高粱、甘蔗育种的遗传资源,甚至可能为水稻、小麦和甘蔗等作物提供参考。其他类似的粮食作物。

目前,他们已在黄河三角洲盐碱地开展种植试验近8年,共种植芒草试验材料20余亩,适应性好,耐盐性优异。 “这对于脆弱生态修复、土壤改良和盐碱地开发利用,乃至粮食安全和生态安全都具有深远意义。” 陈翠霞说道。

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