【New phytol】中国农科院周美亮团队揭示金荞麦和苦荞性状差异的重要原因
2022/6/21 11:21:03 阅读：327 发布者：
荞麦，蓼科荞麦属（Fagopyrum Mill），是一种起源于我国的重要杂粮作物，生育期短、适应性强、耐瘠薄，营养均衡且富含芦丁等活性成份，是糖尿病和三高人群的重要健康食品。荞麦广泛分布于世界各地，也是我国干旱、高海拔贫困山区和彝族等少数民族的重要粮食作物和救灾填闲作物。荞麦花大鲜艳且周期长，也是乡村旅游观光、多产融合和康养产业发展的不可或缺的重要载体。荞麦属中作为粮食作物广泛栽培的有一年生苦荞（Fagopyrum tataricum）和甜荞（F. esculentum），以及作为药用的多年生金荞麦（F. dibotrys或F. cymosum）。金荞麦是一种传统的药用植物，具有抗菌消炎、预防癌症和抗肿瘤的功效，是急支糖浆、金荞麦片、威迈宁等药物的主要成份。金荞麦是苦荞的野生近缘种，但二者农艺性状差异较大，例如，与苦荞相比，金荞麦具有籽粒大且芦丁等活性成份更加丰富、地下膨大茎、花期长、耐寒等特点，而且金荞麦也被认为是苦荞遗传改良的重要远缘杂交材料。在用途方面，金荞麦主要作为药用和饲用，苦荞主要作为粮食和功能性食品，造成二者分化的遗传机制尚不清楚。为了充分挖掘金荞麦的优异基因资源以及加快鉴定苦荞-金荞麦杂交后代优异材料，开展金荞麦和苦荞比较基因组研究十分必要。近日，中国农业科学院作物科学研究所周美亮研究员团队在New phytologist在线发表了题为“Comparison of buckwheat genomes reveals the genetic basis of metabolomic divergence and ecotype differentiation”的研究论文，从基因组水平揭示了金荞麦和苦荞性状差异的重要原因，以及对金荞麦生态类型进行了初步的划分和比较。研究中基于二代三代和Hi-C技术组装了一套二倍体金荞麦基因组，基因组大小为1.08G，注释到38,919个蛋白编码基因。通过与苦荞基因组比较发现，金荞麦基因组大小是苦荞基因组（0.48G）的两倍，这主要是由重复序列扩增导致。研究发现，在3号和4号染色体上存在两段大片段倒位，相关基因与代谢、细胞壁形成、根形态建成等密切相关，推测这可能与金荞麦特有的品质和农艺性状相关。基因组进化分析发现，金荞麦和苦荞在近代发生分化，金荞麦中与代谢相关的基因受到了强烈选择。研究中选取金荞麦的地下膨大茎、根和苦荞的根进行了代谢组分析，发现金荞麦中儿茶素、原花青素、芦丁、槲皮素等黄酮类物质含量远高于苦荞，是金荞麦可做药用的重要原因。进一步从基因组层面揭示了金荞麦中黄酮类物质合成相关基因发生了扩增，尤其是FdCHI、FdF3H、FdDFR、FdLAR基因家族。此外，研究团队从云贵高原搜集到34份直立和斜生生态型的二倍体野生金荞麦并进行了性状评价，发现直立生态型的农艺性状优于斜生生态型，而斜生生态型的品质性状优于直立生态型。为了研究两种生态型性状分化的遗传机制，研究团队对这些样本进行了重测序并计算了二者之间的遗传分化系数，挖掘到FdMYB44、FdCRF4等一系列与品质和农艺性状相关的基因。该研究为金荞麦的性状改良和品质育种，以及为苦荞和金荞麦种间杂交的分子育种奠定了理论基础。周美亮团队博士后何铭（现中国农业科学院蔬菜花卉研究所助理研究员）、博士后何毓琦、副研究员张凯旋、博士生卢翔以及张雪梅博士为该论文第一作者，周美亮研究员为通讯作者。四川省凉山彝族自治州农业科学研究院高寒农业研究所王俊珍高级农艺师、四川旅游学院唐宇教授、贵州大学程剑平和阮锦军教授、国际生物多样性中心Ehsan Dulloo博士和张宗文教授、湖南农科院作物所严明理教授、英国南安普顿大学杂粮作物研究中心主任Mark A. Chapman教授和保加利亚科学院Milen I. Georgiev教授也参与了该项研究。该研究得到国家重点研发计划-双子叶杂粮高效育种技术与品种创制、欧盟地平线2020项目、国家自然科学基金重点国际合作项目等项目的支持。文章链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18306
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