福建農(nóng)林大學(xué)青年教師發(fā)表《Science》

近日，福建農(nóng)林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廣西大學(xué)等單位在《Science》雜志上發(fā)表題為“Multiscale pangenome graphs empower the genomic dissection of mixed-ploidy sugarcane species”的研究成果。福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院基因組學(xué)研究中心、國家甘蔗工程技術(shù)研究中心為第一單位。福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院基因組學(xué)研究中心青年教師黃育敏博士、已畢業(yè)碩士研究生張以星和廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院張清教授為論文共同第一作者。廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院張積森教授和福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院基因組學(xué)研究中心唐海寶教授為論文通訊作者。

多倍體甘蔗中的多尺度圖型泛基因組策略

研究人員率先提出并實(shí)現(xiàn)了一套多倍體感知的、多尺度圖形泛基因組策略。該框架整合了包含現(xiàn)代栽培甘蔗及其祖先種在內(nèi)的9個(gè)高質(zhì)量參考基因組，涵蓋47–57條單倍型路徑和數(shù)十萬個(gè)基因等位信息，這些海量而異質(zhì)的遺傳信息被統(tǒng)一協(xié)調(diào)壓縮與關(guān)聯(lián)，并編碼進(jìn)“圖結(jié)構(gòu)”的超級(jí)泛基因組中。在這一框架下，不同物種、不同倍性、不同來源的基因組，不再被強(qiáng)行“對(duì)齊”到一條參考線上；每一種變異、每一條單倍型路徑，都作為圖中的節(jié)點(diǎn)或路徑被完整保留；從整條染色體到單個(gè)基因乃至蛋白序列尺度，都可以在同一體系下被并行解析與比較。結(jié)果顯示，這一圖泛基因組可捕獲約82%的甘蔗遺傳多樣性，而目前最優(yōu)的單一線性參考基因組只能覆蓋約34%。這意味著，大量曾被忽略的遺傳信息，第一次被系統(tǒng)性“找回”。

這一策略帶來的改變，并不僅限于數(shù)據(jù)覆蓋率的提升，更為跨種群、跨倍性的基因組學(xué)解析建立了統(tǒng)一而無偏的分析框架。在圖泛基因組的引導(dǎo)下，多組學(xué)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)錄組、表觀組）的整合效率顯著提高，許多在傳統(tǒng)分析中難以定位、甚至完全消失的關(guān)鍵調(diào)控位點(diǎn)得以重新浮現(xiàn)。基于圖的混合倍性甘蔗群體遺傳學(xué)分析挽救了缺失的多樣性信息，顯著提升了多倍體變異檢測準(zhǔn)確度，消減了參考偏好性，并使得跨倍性水平比較成為可能。由此衍生出的“劑量感知全基因組關(guān)聯(lián)分析”（DosageGWAS）方法，作為解析多倍體中劑量效應(yīng)的新策略，與傳統(tǒng)線性方法相比，在遺傳力估計(jì)與性狀位點(diǎn)檢出能力等方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，為解析多倍體作物的數(shù)量性狀提供了下一代技術(shù)框架。

借助這一圖譜資源，研究人員對(duì)417份不同倍性的甘蔗種質(zhì)開展了系統(tǒng)的群體基因組學(xué)分析，重建了甘蔗主要物種間的演化關(guān)系、遺傳結(jié)構(gòu)與漸滲模式。高粱族跨物種比較（與高粱、玉米）揭示了甘蔗與高粱在碳水化合物代謝與激素響應(yīng)通路上的趨同選擇現(xiàn)象。其中，經(jīng)典馴化基因TB1在高粱族作物中存在趨同選擇。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在熱帶種甘蔗中敲除SaTB1，結(jié)果表明高效敲除系表現(xiàn)出顯著更多分蘗、提前分蘗啟動(dòng)并伴隨產(chǎn)量提升。清晰展示了從“圖譜發(fā)現(xiàn)”到“功能驗(yàn)證”再到“育種靶點(diǎn)明確”的完整閉環(huán)。與此同時(shí)，研究還精細(xì)定位了多個(gè)與甘蔗農(nóng)藝性狀密切相關(guān)的關(guān)鍵基因：SaIRX10：其表達(dá)量與莖稈糖分顯著負(fù)相關(guān)，等位基因劑量在馴化過程中呈階梯式固定，清晰記錄了人類對(duì)“甜度”的選擇歷史；SaBAK5：其劑量增加與葉片夾角調(diào)控相關(guān)，暗示現(xiàn)代甘蔗對(duì)高密度種植的適應(yīng)性進(jìn)化。

為驗(yàn)證這一策略的通用性，研究人員將該框架推廣至棉花、小麥、馬鈴薯等多種異源或同源多倍體作物，顯示出在遺傳多樣性捕獲和性狀關(guān)聯(lián)能力上的顯著優(yōu)勢。這表明，該方法不僅是為甘蔗“量身定制”的解決方案，更有望發(fā)展為復(fù)雜作物基因組學(xué)與分子育種的通用分析框架。基于這一資源，研究與育種工作可以直接受益：包括高質(zhì)量的劑量感知分子標(biāo)記開發(fā)、基因組選擇的預(yù)測精度提升，以及快速從野生近緣種中篩選出抗性或高糖等稀有等位基因。隨著更多地區(qū)品種與野生材料的不斷納入，這一超級(jí)泛基因組資源也將持續(xù)“生長”，推動(dòng)作物育種從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)，邁向真正的基因驅(qū)動(dòng)與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。