PBJ | 沈阳农业大学陈温福院士团队联合中国热带农业科学院、中国农业科学院揭示基因组结构性变异在粳稻育种中的作用

中国是最早驯化和种植水稻的国家之一，也是世界水稻生产和消费第一大国。东北地区是我国粳稻主产区，早期以引进日本品种为主，20世纪70年代以后，随着籼粳稻杂交、理想株型特别是90年代以来水稻超高产育种即超级稻的兴起，东北粳稻产量水平显著提高（图1），为中国乃至世界粮食安全做出了巨大贡献。在基因组层面揭示其贡献的机理是未来在更高水平上突破粳稻育种瓶颈的关键之一。

2022年10月5日，国际学术期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了沈阳农业大学陈温福院士团队联合中国热带农业科学院、中国农业科学院完成的题为“Time-ordering japonica/geng genomes analysis indicates the importance of large structural variants in rice breeding”的研究论文。该研究收集了近130年水稻育种和生产中有代表性的12个粳稻品种，应用长读长测序技术进行高质量基因组组装，揭示了基因组结构性变异在我国粳稻育种中的作用。

项目选取了1882至2011年育成的有代表性并且在育种中有系谱关系的6个传统日本粳稻品种和6个我国粳稻品种，基于Nanopore、Hi-C、Illumina技术对12个代表品种进行全基因组测序和高质量基因组组装，获得了高质量的基因组图谱（图2）。

结合已报道的籼稻、cA、cB和野生稻的参考基因组，经过系统的比较分析，共鉴定到156,319个结构性变异（SV）。研究根据品种的育成年代将12个粳稻品种分为1980之前、1980-1990、1990-2000和2000之后4组，并将出现在1980之前且被继承下来的SV定义为共同SV，将只出现在一组内的SV定义为特异SV。比较发现相较于特异SV，共同SV中插入型SV的比例更高，且更多的分布在基因间区（图3）。

研究发现附近存在SV的基因整体表达水平显著低于没有SV影响的基因，同时也发现了一些SV引起表达量增加的例子。例如在LTG1启动子上一段288bp的插入显著提高了LTG1的表达量，并且植株表现出对低温不敏感的表型，同时LTG1的基因敲除株系表现出对低温敏感，说明该SV可能通过提高LTG1的表达量改善植株的低温耐受性。研究发现9,628个基因存在基因序列拷贝数变异（CNV），结合转录组数据分析证明很多CNV与基因表达量显著相关，且调控重要农艺性状。例如在日本粳稻品种丰锦和我国高产粳稻辽粳5、超级稻沈农265等品种中发现GNP1基因存在多拷贝，其表达量也显著高于其他单拷贝品种。调查转基因植株发现GNP1过表达会引起每穗粒数显著增加。项目组进一步收集了74个我国主要粳稻种植区不同年代的推广品种，发现2000年后含有多拷贝GNP1的品种显著增加，且GNP1多拷贝品种的每穗粒数显著高于单拷贝品种（图4）。丰锦作为骨干亲本广泛应用于我国粳稻育种，高产历来是我国水稻育种的首要目标，丰锦从众多日本品种中脱颖而出引入我国的原因可能正是多拷贝GNP1所带来的每穗粒数优势。研究发现24,878个SV位于籼粳选择分化区域，涉及4,089个基因，其中涵盖了Sa、NRT1.1B、Chalk5等多个育性、产量和品质相关基因位点。进一步分析发现，98.0%的SV可以追溯到来源，例如在野生稻和绝大部分籼稻中都可以检测到一个位于垩白调控基因Chalk5内含子的SV，但是只能在少数几个2000年后育成的粳稻品种中检测到该SV，暗示着该SV从野生稻继承到籼稻，通过籼粳杂交渗入到了部分新育成粳稻品种。应用CRISPR/Cas9基因编辑技术对Chalk5位点进行基因编辑，有效改善了垩白性状。

早在1959年杨守仁先生率先提出籼粳稻杂交育种新思路，在此基础上，陈温福院士团队构建了理想株型与优势利用相结合的理论体系，即“利用籼粳稻杂交创造新株型和强优势，通过复交优化性状组配聚合有利基因，选育理想株型与优势利用相结合的“超级稻”，成为中国特别是北方粳型超级稻育种的总体技术路线（图5）。进入“十三五”以来，团队以提高北方粳稻品质为主攻目标，以改良穗部性状为突破口，以调控籼型血缘为主要途径，在相关性状的遗传与生理基础、种质资源创新与新品种培育研究方面取得了显著进展。本研究揭示了基因组结构性变异及其影响的相关基因在粳稻育种进程中的关键作用。获得的亚种内可利用SV类型遗传变异信息，可以最大限度的避开亚种间杂交产生的负面影响，直接扩宽粳型栽培稻的遗传多样性，为进一步提升育种潜力提供遗传基础。

该研究得到了国家自然科学基金的支持。沈阳农业大学徐铨教授、中国热带农业科学院郭安平研究员为论文的共同通讯作者。中国热带农业科学院热带生物技术研究所王雨助理研究员、沈阳农业大学李丰成副教授、中国农业科学院张帆副研究员、沈阳农业大学博士研究生武立安为论文的共同第一作者。陈温福院士、徐正进教授、唐亮教授、孙健教授对研究和论文写作进行了指导和帮助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！