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文献解读|NC:稗草基因组与700余份材料群体研究揭示稗草进化历程

文章简介:

 

稗属(Echinochloa spp)物种是稻田生态系统中最有害、最常见的杂草。同时,至少有两个稗属物种被驯化为黍类作物。为了进一步了解推动稗属物种向杂草与作物演化的基因组驱动力,作者组装了三个稗属物种的染色体水平基因组,同时对来自全球的700余份稗属材料基因组重测序数据进行了分析。本研究提供了稗属物种作为杂草与作物进化的基因组见解,为研究植物的多倍体化、环境适应以及黍类作物改良提供充分的资源。

 



 

标题:Genomic insights into the evolution of Echinochloa species as weed and orphan crop

 

期刊:Nature Communications(IF=14.149)

 

发表时间:2022.02.03

 

研究数据:利用多倍体物种Hi-C辅助基因组装新算法——DipHiC,获得了栽培种稻稗E. colona(1,127.2 Mb)、优势种野稗E. crus-galli(1,339.8 Mb)以及光头稗E. oryzicola(945.6 Mb)的染色体水平高质量基因组。

 

基于Illumina HiSeq 4000平台,对收集的来自世界各地的596个六倍体E. crus-galli、32个六倍体E.colona、85个四倍体E. oryzicola、15个四倍体E. walteri稗属种质进行重测序,将测序数据与参考基因组E. Crus-galli(STB08)进行比对。

 

主要研究结果:

 

(1) 稗属物种染色体水平高质量基因组构建

该研究开发了适用于多倍体物种Hi-C辅助基因组组装的新算法——DipHiC(图1),获得了三个稗属物种的染色体水平高质量基因组。

 

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图1. DipHiC算法

 

(2) 群体结构与历史动态分析

为了解析稗属植物种群分化、环境适应以及驯化机制,该研究对737份全球稗属材料进行了基因组重测序(图2a),并将测序数据与参考基因组进行比对。基于比对率与基因组覆盖度结果,737份种质主要被分为E. crus-galli、E. oryzicola、E. walteri和E. colona四个类群(图2b),群体结构分析结果表明,E. crus-galli可进一步被区分为五个亚种,且不同亚种间基因交流频繁(图2c),特别是在农业出现之后(约1万年前)。

 

利用E. crus-galli不同亚种材料进行群体历史分析,分析结果表明E. crus-galli形成可能发生在28.3万年前,且不同亚种在几千到几百年不等的时间内有种群数量缩减的现象(图2e)。

 

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图2. 稗属物种群体结构分析

 

(3)稗属物种亚基因组多样性分析

同时,本研究分析了稗属物种各亚基因组水平的核苷酸多样性,结果表明C亚基因组在稗属物种中表现出最低的多样性(图3b),这可能与稗草六倍化过程中C基因组经历了严重瓶颈有关。

 

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图3. 稗属物种亚基因组多样性分析

 

(4)E. crus-galli在不同环境下的适应机制

E. crus-galli的亚种稻稗(var. crus-galli)主要分布在低海拔地区,旱稗(var.praticola)主要分布在相对较高的海拔地区,前者开花时间显著晚于后者。本研究计算了不同亚种之间的Fst值(图4a),结果表明共有13个基因(7个在A亚基因组,5个在B亚基因组,1个在C亚基因组中)被发现在E. crus-galli中高度分化,包括多个开花调控基因(图4b),如Hd1,该基因在稗属其他种/亚种中也发生分化、受到选择,表明其在稗属植物开花中起到重要作用。

 

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图4 稗草在不同环境下的适应机制

 

(5)除草剂新抗性基因的发现

ALS除草剂是全球使用最广泛的除草剂之一,本研究基于来自巴西、意大利、中国稻田的稗草样本的重测序数据,发现了一个潜在的ALS抗性新靶标位点(Gly654Cys)以及一个二氯喹啉酸抗性新靶标位点(Arg86Gln)。

 

(6)稗草驯化机制

本研究基于开发的判断稗草驯化程度新方法,对收集的30余份栽培稗(E. crus-galli var. esculenta和E. colona var. frumentacea)进行鉴定,发现栽培稗的驯化程度较低,低于水稻、高粱与薏苡(图5a)。对两个独立驯化的栽培稗基因组特征进行分析,鉴定到了部分受到平行选择的基因(图5b),如控制株型的基因LA1

 

同时,作者发现栽培稗的基因组部分特征类似于杂草式基因组,这可能和栽培稗驯化不彻底,与保留杂草基因组特征适应种植区域环境有关。此外,该研究发现了一种新的稗草E. crus-galli var. oryzoides,并推测其可能来自古老的栽培稗。

 

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图5 稗草驯化

 

总结

 

本研究构建了多倍体稗属物种参考基因组,有助于加速杂草进化生物学、作物与杂草相互作用的研究。同时,本研究挖掘的新除草剂抗性相关变异,有助于加速除草剂抗性进化研究。此外,基于全球700余份稗草材料重测序数据,揭示了稗属植物系统发生及其环境适应基因组演化机制,为稗属物种作为杂草与作物进化提供新的基因组见解。

 

参考文献:Dongya WU, et al., Genomic insights into the evolution of Echinochloa species as weed and orphan crop. Nature Communications. 2022.

 

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