中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的耐鹽基因，助力大豆育種改良
2014年7月10日，來自香港中文大學(xué)、深圳華大基因研究院等單位的科研人員聯(lián)合完成了野生大豆W05的全基因組測序工作，并通過對野生大豆重要農(nóng)業(yè)性狀關(guān)聯(lián)基因進(jìn)行研究，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了新的耐鹽基因。該研究成果為揭示野生大豆的遺傳信息，加速大豆種質(zhì)資源改良，推動農(nóng)業(yè)育種進(jìn)程奠定了重要的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。最新研究成果于《Nature Communications》雜志在線發(fā)表。
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大約6000至9000年前，我國就開始進(jìn)行野生大豆的馴化。但是在馴化過程中，大豆的栽培種丟失了很多與環(huán)境適應(yīng)相關(guān)的重要基因，因此栽培大豆具有的遺傳多樣性比野生大豆低很多。然而這種缺失的遺傳多樣性可以通過育種的方法進(jìn)行改良，也就是說可以將野生大豆中能夠適應(yīng)某一特定環(huán)境的基因重新引入到栽培大豆中。這種將野生種優(yōu)良性狀基因轉(zhuǎn)入到栽培種從而加速作物改良的策略已經(jīng)在水稻、玉米、小麥等育種研究中獲得成功。
在本研究中，科研人員對野生大豆進(jìn)行了全基因組測序, 組裝得到大約868Mb的基因組序列，并利用一種新穎且有效的研究策略來挖掘野生大豆基因組遺傳信息。結(jié)合全基因組測序方法和野生大豆基因組de novo序列，他們構(gòu)建了基于測序的基因分型遺傳圖譜，并利用之前獲得的大豆種質(zhì)資源的重測序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了新的耐鹽基因——GmCHX1。 GmCHX1是離子轉(zhuǎn)運基因，在鹽脅迫條件下，該基因負(fù)責(zé)維持較低的鈉離子與鉀離子比率，以增強大豆的耐鹽性。
鹽化作用對于農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，它影響全球20%灌溉地作物的收成。在鹽脅迫條件下，野生大豆表現(xiàn)出很高的耐受性，因此對于提高大豆的耐鹽性改良而言，野生大豆擁有非常好的遺傳資源。當(dāng)大豆植物處于氯化鈉環(huán)境中，相對于栽培大豆而言，野生大豆葉子中鈉離子、鈉離子與鉀離子的比率顯著偏低，這表明離子轉(zhuǎn)運體在耐鹽性方面發(fā)揮了重要的作用。研究人員通過比對野生種大豆和栽培種大豆的基因組序列，發(fā)現(xiàn)對鹽比較敏感的栽培大豆的離子轉(zhuǎn)運基因GmCHX1中嵌入了逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，而耐鹽性的野生大豆保留了完整的GmCHX1序列。
研究人員還發(fā)現(xiàn)擁有完整GmCHX1基因序列是大豆祖先共有的特征，敏感性的后代積累了不同類型的基因突變?nèi)缇幋a區(qū)域的重復(fù)序列插入或者啟動子區(qū)的堿基突變。這些變異導(dǎo)致GmCHX1功能異常或者低表達(dá)。對于鹽敏感性大豆，GmCHX1基因的缺失是在無壓力環(huán)境中抗逆基因負(fù)選擇的一個典型的例子。
華大基因該項目負(fù)責(zé)人謝敏表示，“在這項研究中，我們結(jié)合野生大豆W05的基因組序列，高密度的QTL圖，比較基因組學(xué)分析以及功能學(xué)實驗，首次發(fā)現(xiàn)了基因GmCHX1與野生大豆耐鹽性相關(guān)。這僅僅只是一個開始，野生大豆W05基因組序列的發(fā)布，將助利其他大豆研究者解析野生大豆的優(yōu)良性狀，并為育種專家的品種改良實驗提供寶貴的資源。”