6月8日，中國農業科學院作物科學研究所特色農作物優異種質資源發掘與創新利用團隊，通過對谷子種質資源的基因組變異和群體結構分析，組裝了谷子第一個高質量圖基因組，系統闡明了谷子起源及馴化改良的過程，為“谷子起源于中國”的單起源假說提供了群體遺傳學證據；對谷子及其野生種青狗尾草的1844份核心種質資源進行深入分析，發掘了1084個重要性狀相關位點和基因，創制了谷子圖基因組精準高效育種方法，為培育突破性品種提供了理論基礎和技術路徑。相關成果發表在《自然·遺傳學（Nature Genetics）》上。
谷子是我國起源的古老作物，隸屬禾本科狗尾草屬，至今仍是旱作農業的主栽作物，更是應對氣候變化和干旱環境的戰略儲備作物。其籽粒小米營養價值高，深受人們喜愛。由于谷子屬于碳四（C4）光合作物和易于實驗室操作等特點，其作為功能基因研究的模式植物近年來也備受國際關注。作物種質資源是優異基因的載體，對種質資源基因組變異的系統性認識和表型性狀的精準鑒定有利于其中優異基因的發掘和利用。
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研究團隊在對谷子野生種、農家品種和現代育成品種等1844份核心種質資源群體結構進行系統解析，從群體遺傳角度證實谷子單起源假說--全世界的谷子均來自中國。本研究從頭組裝了110個代表性谷子和狗尾草高質量基因組，繪制了首個狗尾草屬基因組變異圖譜，構建了首個雜糧和C4作物高質量圖基因組，認識了谷子資源變異的基本情況，系統解析了谷子馴化和改良過程中基因組變異。同時，歷時10年在13個地理環境下對680份資源進行了68個性狀的表型調查，形成了226組群體表型數據和表型組數據庫；將基因組變異和表型數據關聯，發掘出1,084個與表型顯著關聯的重要性狀相關位點，如控制產量性狀的SiGW3等。此外，研究還建立了基于谷子圖基因組的最優預測模型和全基因組選擇育種方法，該方法可加速作物遺傳研究并使谷子表型預測精度最高提升12.6%。本研究構建的谷子基因組變異圖譜、多環境多性狀表型組、以及批量發掘的重要性狀控制位點和基因，為谷子模式植物體系發展等基礎研究和資源利用提供了重要數據基礎，也為作物種質資源挖掘利用提供了重要參考。
本研究得到多位院士的高度評價。
中國科學院李家洋院士指出，本研究發現圖基因組對功能基因發掘有其獨特意義，這對未來育種應用有特殊的重要性。這一工作不僅是谷子研究的又一次“里程碑”式工作，也是對“小作物-大作為”的最好詮釋。
中國工程院院士劉旭表示，該研究探索了利用現有資源提高谷子產量及品質的基因組選擇方法。相關研究結果加深了我們對種質資源的認識和理解，將對谷子生物學基礎研究及資源系統利用起到重要促進作用。
中國科學院韓斌院士認為，該研究不僅是谷子也是作物領域中“泛基因組-數量遺傳-育種”的經典之作，對未來作物遺傳改良具有重要指導意義。
中國工程院院士萬建民認為，該研究發掘的持續選擇基因和性狀關聯位點對谷子重要性狀遺傳解析及標記輔助育種至關重要。同時，在多作物平行馴化越來越明晰的情況下，相關研究結果也對其他作物重要性狀的遺傳解析提供了重要參考。
中國科學院錢前院士認為，該工作成功破解了谷子基因資源的“天書”，讓我們更清晰看到基因組結果變異對基因發掘的重要性，使我國保持了谷子基礎和育種研究的國際領先地位。
作科所刁現民研究員、紐約大學基因組學和系統生物學研究中心Michael Purugganan教授和作科所賈冠清研究員為該論文共同通訊作者。作科所博士后賀強、副研究員湯沙，研究員智慧，以及中科院動物所陳金鋒研究員為該論文共同第一作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家現代農業產業技術體系、國家自然科學基金和中國農業科學院創新工程等項目資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-023-01423-w
