近日，中国农业大学玉米生物育种全国重点实验室、国家玉米改良中心 宋伟彬 团队在《自然·遗传学》(Nature Genetics) 上发表了题为“Genomic variation in weedy and cultivated broomcorn millet accessions uncovers the genetic architecture of agronomic traits”的研究论文。
玉米，作为我国的第一大粮食作物，对于保障国家粮食安全具有至关重要的意义。长期的人工选择造成了优良等位基因的缺失，导致种质基础趋于狭窄，严重限制了玉米育种创新。因此，开展玉米近缘物种组学研究，通过比较基因组学技术手段挖掘玉米近缘种特有、特优基因资源并应用于玉米育种，对玉米种质基础的拓展具有重要的理论和实践指导意义。玉米近缘种黍稷起源于中国而且是最为古老的农作物之一，具有生育期短、耐旱耐瘠薄、适应盐碱胁迫等特点，暗示着黍稷基因组中蕴藏着丰富的优异基因资源。宋伟彬前期与合作者组装了黍稷 (陇糜 4 号) 基因组，共注释出 63,671 个编码基因，进一步与玉米自交系 Mo17 (39,756个编码基因) 的比较基因组学分析发现，63,671 个编码基因中 11521 个是黍稷特有 (Nature Communications, 2019)；为了从 11,521 个黍稷特有基因中发掘出与农艺性状和育种选择相关的基因，团队开展了育种过程中黍稷基因组变异图谱构建工作。
该研究团队系统地完成了中国野生黍稷种质资源的收集和基因资源挖掘工作。团队从内蒙古、陕西、甘肃、辽宁、吉林、河北、山西、宁夏、黑龙江的等10个省份的路边、丘陵、山地、农田等地收集了 967 份野生黍稷，结合 937 份栽培黍稷组成了一个 1,904 份的黍稷大群体。利用双末端 150 bp 测序获得黍稷群体的全基因组重测序数据，产生了 65.1 Tb 的数据，平均基因组覆盖度为 40.3 倍。根据基因组覆盖度和 IBS，对野生黍稷和栽培黍稷进行筛选，过滤低覆盖度和遗传背景相似的品种。最后保留了 1,094 份黍稷进行后续分析，包含 316 份野生黍稷和 778 份栽培黍稷 (图 1)。
图 1 黍稷群体的地理分布及进化树
研究人员利用鉴定的 5,603,840 个 SNPs 解析了黍稷的群体结构，将黍稷群体分为四个亚群：LR (Liao River，辽河野生黍稷亚群)、YY (Yin Mountain and Yan Mountain，阴山-燕山野生黍稷亚群)、LP (Loess Plateau，黄土高原野生黍稷亚群)、Cultivated (栽培黍稷亚群)，发现野生黍稷和栽培黍稷具有明显的遗传差异。进一步分析发现，黄土高原野生黍稷亚群与栽培黍稷分化时间最为接近 (4,600 年前)，这与考古学的时间相吻合，也证实了现代栽培黍稷起源于黄土高原地区的单一起源理论，为黍稷的起源中心提供了理论支持。这些结果填补了中国黍稷遗传多样性研究的空白，并明确了现代栽培黍稷在中国的精确起源地里位置，有助于我们更加全面地了解中国黍稷的遗传特征、起源及其与栽培黍稷的关系 (图 2)。
图 2 黍稷群体的群体结构分析
分析发现，在驯化过程中黍稷基因组不仅发生了单核苷酸变异和小片段的序列变异，也存在大片段的结构变异。每个野生黍稷材料平均含有 1,431 个 SVs，每个栽培黍稷平均含有 538 个 SVs，每个野生黍稷的 SVs 数量接近是栽培黍稷的 3 倍。为了分析 SVs 在驯化过程中的动态变化，该研究分析了 SVs 和 TE 的关系。发现 SVs 主要发生在 Gypsy 类型的 TE 上，另外 Gypsy 类型的 SVs 在黍稷驯化过程中受到选择，可能在驯化过程中发挥重要作用。为了探究 SVs 对基因的影响，分析了 SVs 和基因的位置关系，结果显示结构变异使基因组 10% 的基因为 PAV。其中，栽培黍稷特有 2,149 个 PAV 基因，野生黍稷特有 2,892 个 PAV 基因，这些基因更多表现在影响植株的抗性和驯化性状。比如，栽培黍稷群体中的一个长度为 41 kb 的 deletion 引起影响籽粒大小基因 PmTGW6 的缺失、另外一个长度为 10.3 kb 的 deletion 引起影响落粒性基因 PmSh1 的缺失 (图 3)。
图 3 野生黍稷和栽培黍稷的结构变异
为了鉴定与产量相关的 QTL 位点，研究人员利用鉴定到的 SNPs、Indels、SVs 对 12 个农艺性状进行全基因组关联分析，并鉴定到 186 个 QTL。其中与籽粒大小显著关联的 PmGW8 外显子上的 T 碱基缺失导致该基因发生移码突变，并且该基因在黍稷驯化过程中受到了强烈的选择；鉴定到两个与抽穗期显著关联的基因 PmFT 和 PmPRR37 ，通过在拟南芥中过表达验证了 PmFT 能够正向调控花期，可以显著缩短开花时间；鉴定到了与株高显著关联的水稻 sd1-1 的同源基因 Pmsd1 基因，并且通过在黍稷中敲除 Pmsd1，证实了 Pmsd1 参与了调控黍稷的株高和总穗长。综合分析发现，野生黍稷能鉴定更多籽粒相关的 QTL，暗示着野生黍稷资源在黍稷籽粒性状的改良育种过程中可发挥重要作用 (图 4)。
图 4 黍稷株高 GWAS 候选基因 Pmsd1 的鉴定与验证
野生黍稷和栽培黍稷在我国北方地区具有广泛的分布，因而需要适应不同的生态和地理环境。开花期是植物适应当地环境的重要性状，解析花期的分子进化机制是了解黍稷适应性的关键。研究人员利用鉴定到的两个抽穗期 QTL，qHD2 和 qHD5 来探究野生黍稷和栽培黍稷的适应机制。结果表明野生黍稷通过选择 qHD5 的不同单倍型调节生长周期来适应不同纬度的环境，栽培黍稷通过选择 qHD2 的早花单倍型来适应高纬度的光周期条件 (图 5)。
图 5 野生黍稷和栽培黍稷的平行适应
结论与讨论
综上所述，通过野生黍稷和栽培黍稷基因组多态性分析，结合比较基因组学技术手段共鉴定出 3,398 个育种过程中受选择基因，其中 324 个是黍稷特有基因；调控 12 个农艺性状的 1698 个候选基因中 262 个是黍稷特有，去除掉 7 个重叠基因，共计鉴定到 579 个黍稷特有基因，这为利用生物育种技术拓展玉米种质基础提供了重要基因资源。
中国农业大学玉米生物育种全国重点实验室、国家玉米改良中心、农学院 宋伟彬 教授为该论文通讯作者。中国农业大学博士生 陆琼、中国农业大学农学院、分子设计育种前沿科学中心 赵海楠 研究员、博士生 张政权、博士生 白雨禾、中国农业大学 赵海铭 副教授、河北省农科院 刘国庆 研究员为该论文共同第一作者。中国农业大学博士生 郑云霄、博士生 龚慧慧、博士生 洪祥德、博士生 李百川、博士生 白岩、已毕业硕士 陈令玮、邓喜真、刘天翔、中国农业科学院 陆平 研究员、刘敏轩 助理研究员、通辽市农牧科学研究所 文峰 助理研究员、山西省农科院 王伦 研究员、黑龙江省农科院种质资源所 李志江 副研究员、山西农业大学 李海 研究员、河北省农科院 李海权 研究员、全国农业技术推广中心 张力科、马文慧、刘春青、中国农业大学科研助理 赵海月、中国农业大学 辛蓓蓓 副教授、陈建 副教授、鄂立柱 副教授在黍稷资源收集方面和基因型分析方面做出了重要贡献。赖锦盛 教授在该研究的实验设计和分析提供了重要帮助和指导。该研究得到了国家重点研发计划 (2021YFD1200701)、国家自然科学基金委 (32271541, 32272143)、科技创新2030 (2022ZD04020)，种质遗传改良 (2022ZD04020, 2022010202, B21HJ0509)、基本科研业务费 (2023TC019)、中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2023TC019) 等项目的资助，通州于家务国际种业园区教授工作站给予了大力支持。
刁现民 研究员
中国农业科学院作物科学研究所
黍稷，又称为糜子，是禾本科黍属的一年生草本第二禾谷类作物。作为抗逆先锋作物，它具有出色的节水耐旱性、耐盐碱性和耐瘠薄性等特点。同时，黍稷还具有丰富的营养价值、较强的气候适应力、经济可行性以及卓越的本地可用性或适应性，因此被列为未来智慧食物。在全球气候变暖、干旱日益严重的背景下，黍稷的这些特点为解决全球粮食安全问题提供了一种可能的解决方案，为农业可持续发展带来了新的希望。我国的黍稷种质资源十分丰富，现在保存资源高达 9,000 多份，主要分布在陕晋蒙等 10 个北方省份。但是目前已有的研究群体较小，对我国种质资源的遗传信息的挖掘还不够充分。
近期，中国农业大玉米生物育种全国重点实验室宋伟彬团队对来自我国北方 10 个省份的 967 份野生黍稷及黍稷主产区的 937 份栽培黍稷进行了全基因组变异分析，共涉及 1,904 份材料。通过深入解析这些材料的基因组变异，研究人员揭示了野生黍稷和栽培黍稷的群体结构，并进一步追溯了黄土高原地区 4,600 年前的一次单一驯化事件，这一事件导致了我国当代栽培黍稷的第一次扩张。了解不同作物的驯化历程和基因组特征，有助于发掘潜在的遗传多样性和育种资源，为育种新品种提供更广阔的基因池。研究人员发现在黍稷驯化过程中，基因组不仅发生了小的变异 (SNPs、Indels) ，也有大的结构变异 (SVs) ，分析发现 Gypsy 类型的 SVs 在黍稷驯化过程中受到选择，并且与结构变异相关的基因表现与驯化性状相关，例如 PmTGW6 和 PmSh1。通过受选择分析，鉴定到 GS5、OsLG1、COLD1 等与驯化性状相关的一些基因。基于这些变异信息对 12 个重要农艺性状进行了全基因组关联分析。研究人员鉴定出了 186 个可用于后续育种的 QTL，其中有 19 个 QTL 在驯化过程中受到选择，并首次在国际上通过基因编辑技术在黍稷中验证了 Pmsd1 基因的变异可以降低株高，为黍稷的绿色革命提供一大助力。最后，研究还解析了与开花相关的两个 QTL 对黍稷在不同纬度适应性的贡献，进一步揭示了黍稷的适应性机制。
这项研究为我们深入了解我国黍稷种质资源的遗传信息提供了重要依据，不仅揭示了栽培黍稷的驯化起源中心，同时挖掘了与重要农艺性状相关的候选基因，为黍稷种质资源的利用、育种及推广提供了坚实的理论基础。另外通过揭示黍稷驯化的历史和过程，我们可以更好地认识人类与农作物之间的相互作用，了解农业的起源和发展对人类社会的重要性。此外，研究还为作物改良提供了重要的参考，通过深入了解黍稷的遗传多样性和抗逆机制，可以进一步改良栽培黍稷的品种，提高其产量、品质和适应性，为粮食安全和农业可持续发展做出贡献。
孔照胜 教授
山西农业大学
“种子是农业的芯片，种质资源是种业的芯片”，保护、收集和利用种质资源对于农业的可持续发展、生物多样性的保护以及人类粮食安全具有重要意义。加强种质资源的保护和研究利用，可以更好的开展产量相关性状的遗传改良。作物的近缘野生种是作物种质资源组成的重要部分，具有丰富的遗传多样性，拥有栽培品种缺乏的优良农艺性状和抗逆性，是作物起源进化研究中不可缺少的材料。
近日，中国农业大学玉米生物育种全国重点实验室宋伟彬团队构建了我国首个千份黍稷的遗传变异图谱。该研究结果表明不同地理位置的野生黍稷具有特异的遗传组成，可以分成不同的类群，利用不同类群的野生黍稷可以探究黍稷的起源问题。另外，该团队利用野生黍稷和栽培黍稷的遗传差异，鉴定到一些类群特异的 PAV (presence and absent variations) 基因，这些基因可能对黍稷的驯化起到重要作用。该研究发现野生黍稷在籽粒相关农艺性状方面含有独特的优良变异，证实了野生黍稷种质资源中包含了丰富的基因组信息和遗传多样性，可以为黍稷、玉米、小麦等农作物品种的抗旱性、养分高效利用等性状的遗传改良提供宝贵的遗传资源。此外，该研究解析了野生黍稷和栽培黍稷对不同环境的适应机制，为研究黍稷的广适应性提供了理论基础。
该研究通过对种质资源的研究，促进深入了解生物进化、遗传机制和基因功能等方面的科学问题，为农业科学和生物学的发展提供理论基础和实验依据。本研究首次收集了丰富的野生黍稷种质资源，也为育种工作提供了重要的指导，利用黍稷种质资源中的优良基因进行杂交和选育，可以提高作物的产量、品质和抗性，促进农业的可持续发展。对于解决日益严峻的全球粮食安全问题和适应气候变化带来的农业挑战，种质资源的保护和利用将发挥不可替代的作用。
严建兵 教授
华中农业大学
黍稷，又称糜子、大黄米，是一种营养丰富的谷物，属于禾本科黍属植物。在中国的农业生产中，黍稷作为一种小杂粮广泛种植。虽然黍稷和其他主要谷物作物相比，在农业生产中的地位逐渐被取代，但是黍稷作为一种天然、营养丰富且生长适应性强的作物，在近年来备受关注。为了更好地利用和保护黍稷种质资源，中国农业大学宋伟彬团队在国内黍稷的主要栽培区收集了 1,904 份野生黍稷，极大地丰富了黍稷的种质资源。该研究将野生黍稷划分为 3 个类群，解析了当代栽培黍稷与三个野生黍稷类群的亲缘关系，证实了当代栽培黍稷是单一起源。这些研究结果不仅丰富了黍稷的种质资源，也对理解黍稷驯化起源及指导黍稷的育种起到重要的作用。
结合多年多点的 12 个农艺性状进行全基因组关联分析鉴定到 186 个 QTL。在农业生产中，注重籽粒大小的选择和优化，对于提高作物产量、质量和经济效益具有重要意义。该研究通过GWAS鉴定到与籽粒大小显著关联的 PmGW8，受选择分析发现 PmGW8 在黍稷驯化过程中受到了强烈的选择。花期不仅对作物适应不同环境起关键作用，同时也会影响作物的产量和抗性等性状，是作物的适应和育种过程中的复杂而重要的性状。GWAS 鉴定到两个与抽穗期显著关联的基因 PmFT 和 PmPRR37，在拟南芥中过表达验证了黍稷的 PmFT 显著缩短开花时间。优化植物的株高对于作物驯化和农业生产具有重要意。该研究鉴定到了与株高显著关联的水稻 sd1-1 的同源基因 Pmsd1 基因，并利用 CRISPR/Cas9 在黍稷中敲除 Pmsd1 基因，证实了 Pmsd1 参与调控黍稷的株高和总穗长。这项工作是黍稷功能基因组的重要突破，填补了在黍稷中利用 CRISPR/Cas9 验证基因功能的研究空白。“绿色革命”基因的发现为进一步理解株高调控机制、改良黍稷品种以及解决黍稷倒伏问题提供了重要的基础和参考。
除此之外，野生黍稷的收集也为黍稷种质资源提供了丰富的基因库。通过进行野生黍稷的全基因组关联分析，可以鉴定更多与籽粒相关的遗传位点，这表明野生黍稷资源在改良黍稷籽粒性状的育种过程中具有重要的作用。野生黍稷作为黍稷的近缘野生种，拥有丰富的遗传多样性和抗逆能力，这些特性为改良黍稷的产量、品质和耐逆性提供了宝贵的基因资源。因此，利用野生黍稷资源进行基因鉴定和功能验证，将对将来黍稷育种工作产生积极的影响，并为培育更适应不同环境和市场需求的优良品种奠定基础。
藏粮于地、藏粮于技，作物科学是农业发展的关键。为促进作物领域科技创新进展交流，加强创新人才培养，弘扬学科优秀文化，推动现代农业高质量发展，在国内兄弟单位大力支持下，中国农业大学农学院牵头创立“作物科学联盟”公众号，旨在搭建作物科学领域创新思想的交流平台，弘扬科学家精神，传播科技兴农的新理念、新技术、新产品，引领全国作物学学科的创新与发展。
