技术介绍

动植物特定群体的个体基因组之间往往会存在大量变异，如单核甘酸变异(SNP)、插入缺失变异(InDel)、结构变异(SV)等。自然群体区别于驯化栽培群体最大的特征是其丰富的遗传多样性，这些动植物往往经历了种群的扩张、传播、本地化适应、基因交流等长期驯化过程。利用基因组水平遗传变异研究，可以更加准确和全面地解析动植物群体的系统发生关系及其结构、群体进化历史、遗传渐渗、驯化起源与人工选择位点情况。

技术路线

适用范围

案例一

研究背景

黑麦(Secale cereale, 2n = 2x = 14, RR)属于禾本科小麦族黑麦属，是许多国家重要的粮食和饲料作物，也是全球小麦和小黑麦改良的重要遗传资源。威宁黑麦是我国的栽培黑麦早抽穗优良品种，具有抗白粉病和条锈病的能力。为了解析黑麦优良性状的遗传和分子基础，促进黑麦及相关作物的基因组和育种研究，作者对威宁黑麦进行了基因组测序和分析。

方法流程

研究结果

基因组组装与重复分析

通过三代结合Hi-C等技术，组装7.74 Gb基因组(为预估的98.47%) , scaffold N50为1.04 Gb,并将93.67%的序列挂载至7 条假染色体上。组装的基因组与遗传图谱及前期发表的数据相比均表现出较高的一致性，并经过LAI及BUSCO的高分评估结果综合表明本次研究构建了一个高质量的黑麦基因组。

黑麦于9.6百万年左右与二倍体小麦发生分化，在0.3-0.5百万年左右反转录转座子的大规模爆发直接促成了黑麦基因组的扩张。黑麦中不同重复类型在黑麦淀粉生物合成相关基因(SBRGs)中存在，并且同一个SBRG的复制往往表现出表达差异，说明不同类型的基因复制可以丰富黑麦基因在重要生物过程中的多样性。

图1 黑麦基因组特征

黑麦种子贮藏蛋白及抗病基因分析

与小麦和大麦相似，黑麦在胚乳组织中积累了丰富的醇溶蛋白型种子贮藏蛋白，在威宁黑麦基因组中未发现α-醇溶蛋白基因，说明小麦及其近缘种的α-醇溶蛋白(a-glia-din)基因可能在小麦和黑麦分化之后进化产生的。结果阐: 明了黑麦碱基因座的结构和组成，这将有助于进一步研究黑麦、小黑麦和小麦的加工和营养品质。

与其他8种禾本科植物相比，黑麦中AP2/ERF TF基因家族成员及抗病相关基因(DRA)数量大幅增加可能与其应对非生物及生物逆境相关。

图2黑麦碱位点分析

早抽穗性状相关基因表达特征

属于早花的威宁黑麦比荆州黑麦提前抽穗10-12天，通过研究表明威宁黑麦开花位点T(FT)基因对应的ScFT蛋白存在磷酸化，因此作者突变相关残基并使用马铃薯X病毒载体在烟草中进行外源表达，结果发现FT磷酸化对开花时间具有控制作用。栽培黑麦和瓦维洛夫黑麦（S.vavilovii）的选择性清除分析以及威宁x荆州分离的F2群体研究表明，ScID1可能参与了抽穗期的调控，并可能通过黑麦驯化进! 行选择，使作物成熟度得到适当的调整，以更好地适应生; 长环境。 j

而研究还需要进一步缩小ScID1区间范围并验证ScID1基因座是否真的在抽穗期控制中起作用并在黑麦驯化过程!中被选择。

图3 黑麦驯化相关染色体区域和位点鉴定与分析

总结

本研究对我国栽培的优良品种威宁黑麦进行了基因组组装，揭示了全基因组基因复制及其对淀粉生物合成基因的影响，解析了复杂储存蛋白基因座位点、早抽穗性状的基因表达特征以及黑麦中与驯化相关的染色体区域和基因座。本次研究结果获得了对进一步研究黑麦驯化遗传基础可能有用的染色体区域和基因座，对于深化比较谷类基因组学硏究，加速黑麦及相关谷类作物的遗传改良具有重要价值。

基因组与群体进化，解析物种进化历程-01