中國科學家首次構建高效節水穀物糜子全基因組精細圖譜

圖：未脫殼的糜子種子

全球水資源危機日益嚴重，為了人類未來的糧食安全保障，研究高效節水作物已經成為各國科學家們的一項重要任務。中國科學院分子植物科學卓越創新中心上海植物逆境生物學研究中心張蘅和朱健康研究團隊首次構建了禾本科作物糜子的基因組精細圖譜，為該作物的分子育種和功能基因組學研究奠定了基礎；同時揭示了糜子的進化歷程及其特殊的C4光合作用模型。相關成果近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

糜子的前世今生：從主糧到雜糧

糜子，又稱黍、稷，籽粒去皮後即為俗稱的「黃米」。糜子是生產單位重量籽粒需水量最低的禾穀類糧食作物。它是人類最早馴化利用的作物之一，其種植歷史最早可追溯到公元前8000~6000年前的黃土高原。直到公元前1000年，糜子仍是我國北方地區的主糧之一，並通過游牧民族廣泛傳播至亞歐大陸的其他區域。

現如今，糜子已經不再是「主糧」。張蘅研究員告訴記者，近幾十年糜子的種植量一直在下降，它在西方被稱為「lost crop」或者「orphan crop」。顯然，用「失落」和「孤兒」來描述當前糜子在糧食家族裡的角色地位，再準確不過了。

隨著全球水資源危機日益嚴重，越來越多的科學家致力於對以糜子為代表的節水、低耗性能的雜糧作物的研究，以期提高其產量，助力人類未來的糧食安全保障工作。

全基因組精細圖譜：糜子的初心

為了讀懂糜子，了解它的「初心」，科研人員結合全基因組三代PacBio測序、二代Illumina測序以及高密度遺傳連鎖圖譜構建技術獲得了糜子基因組18條染色體精細圖譜，並注釋出了55930個蛋白編碼基因和339個microRNA基因。研究發現，99.3%的基因定位在染色體上。專家認為，糜子全基因組圖譜質量很高，對作物抗逆機理和抗逆育種等研究提供了可貴的參考依據。

與此同時，研究人員初步發現了糜子環境適應性的分子機制。糜子基因組起源於兩個親本基因組的一次融合，而那次「邂逅」距今約560萬年前。研究表明，E3泛素連接酶亞家族在黍族植物中特異性擴增，或在糜子的進化中發揮了重要作用。張蘅研究員告訴記者， E3泛素連接酶有調控蛋白質穩定性功能，而這個功能可能對作物克服高溫、少水等惡劣環境有重要的幫助，這個研究結果有利於進一步研究糜子抗逆生存的機理和進化史。

C4光合作用模型：朋友多了路好走

光合作用是生物界最基本的物質代謝和能量代謝，對生物的進化具有重要作用。研究人員通過比較基因組和轉錄組分析發現，糜子基因組中與光合作用NADP-ME型和NAD-ME型兩種亞型相關的酶和轉運蛋白不但同時存在，而且還可在光合作用組織中維持較高表達水平,這表明C4光合作用途徑的三種亞型可能同時存在於糜子中。

那麼兩種或是三種亞型的存在對糜子而言意味著什麼呢？專家認為，這為C4光合作用研究提供一種新的思路。張蘅研究員表示，因為不同亞型適用於不同的內外環境，因而這些機制可能有助於糜子更好地應對外界環境。對糜子而言，這無疑是一種「聰明」的選擇，因為要勇敢地直面各種逆境，探索適者生存之路。人們常說「朋友多了路好走」，對植物而言，或許也是如此。而這些機制的發現，也有助於更好地研究雜糧作物應對田間環境的的動態變化。

對於團隊未來的研究設想，上海植物逆境生物學研究中心主任朱健康表示，中心有個理念「綠之夢」（Dream plants），希望在全球氣候變化加劇的情勢下，植物仍然能夠適應乾旱、鹽鹼、高溫、低溫等不利於植物生長的環境，並保持很好的產量、質量。團隊成員就是懷著這個夢想在不斷研究和探索的，過去、現在、未來都是如此。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08409-5

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