多組學(xué)助力研究種質(zhì)資源研究思路

多組學(xué)助力研究種質(zhì)資源研究思路第一篇：國自然熱點2023年度生命科學(xué)部共接收重點項目申請740項，受理738項，資助110項，平均資助強度約為220萬/項。2024國自然申請集中接收工作即將開始，生命科學(xué)部設(shè)立的重點項目立項領(lǐng)域增至47項。下表比較了部分2023年與2024年重點項目立項領(lǐng)域，林學(xué)與草學(xué)（C16）、畜牧學(xué)（C17）和獸醫(yī)學(xué)（C18）沒有調(diào)整，植物學(xué)、動物學(xué)等有所調(diào)整，在多樣性的基礎(chǔ)上，重要活性、重要性狀等信息更加突出。表12023年與2024年生命科學(xué)部重點項目立項領(lǐng)域（部分）比較注意：表中保留國自然基金申請代碼涵蓋C02（植物學(xué)）、C04（動物學(xué)）、C13（農(nóng)學(xué)基礎(chǔ)與作物學(xué)）、C14（植物保護(hù)學(xué)）、C15（園藝學(xué)與植物營養(yǎng)學(xué)）、C16（林學(xué)與草學(xué)）、C17（畜牧學(xué)）、C18（獸醫(yī)學(xué)）、C19（水產(chǎn)學(xué)）。具體以國家自然科學(xué)基金委員會官網(wǎng)信息為準(zhǔn)。此外，我國已完成新中國成立以來規(guī)模最大、覆蓋范圍最廣的全國農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源普查，普查新收集的種質(zhì)資源將全部收入國家農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源庫。新華社近期陸續(xù)也報道了云南（盈江蝦脊蘭）、重慶（巫溪馬鈴苣苔）等地在植物資源調(diào)查時發(fā)現(xiàn)新物種。農(nóng)業(yè)資源普查研究以及優(yōu)良基因的挖掘工作已成為國內(nèi)外研究的熱點之一。后續(xù)我們也會陸續(xù)整理作物、園藝、林草、畜禽、水產(chǎn)、蜂蠶等方向的經(jīng)典研究案例思路。種質(zhì)資源種質(zhì)資源是育種創(chuàng)新的基礎(chǔ)。在加強種質(zhì)資源保護(hù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)積極推動種質(zhì)資源鑒定評價和創(chuàng)新利用。結(jié)合發(fā)表文獻(xiàn)，我們整理了種質(zhì)資源鑒定與保護(hù)的技術(shù)路線（圖1），主要涵蓋核心種質(zhì)篩選、指紋圖譜、家系鑒定等組學(xué)研究方法。利用這些研究方法，可以幫助研究人員深化農(nóng)業(yè)資源普查，在基因?qū)用胬迩逦锓N遺傳特征、多樣性與親緣關(guān)系。圖1種質(zhì)資源遺傳特征分析技術(shù)路線圖經(jīng)典案例1—指紋圖譜：BMCPlantBiology：329個花椰菜品種SNP指紋圖譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建及群體遺傳分析花椰菜（Brassicaoleraceavar.botrytis）是全世界最重要的種植蔬菜作物之一。遺傳多樣性信息和有效的分子標(biāo)記缺乏阻礙著花椰菜的品種改良。本研究旨在基于SNP標(biāo)記和KASP系統(tǒng)構(gòu)建329個花椰菜品種的DNA指紋圖譜。基于KASP基因分型數(shù)據(jù)，對329個品種進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析和群體結(jié)構(gòu)分析，生成329個品種的指紋圖譜和包含每個樣本遺傳信息的二維條形碼。本研究建立的指紋圖譜數(shù)據(jù)庫為花椰菜種子的真?zhèn)魏图兌辱b定提供了實用工具，并為現(xiàn)有花椰菜品種提供了有價值的遺傳信息。Name:DongyaxuesongSource:ChinaFingerprintcode:C|C:C|T:A|A:A|T:C|T:G|T:A|C:T|A:G|A:G|A:T|A:C|C:A|T:T|T:T|T:C|C:G|C:A|A:C|T:G|C:C|C:G|C:T|C:G|G:G|C:G|T:T|T:G|A:T|T:C|C:G|G:C|T:A|A:A|T:G|C:A|A:A|A:A|A:C|A:T|C:T|C(二維碼自動識別)經(jīng)典案例2—核心種質(zhì)NatureCommunications：飯豆地方品種的基因組組裝及重測序分析揭示適應(yīng)性和產(chǎn)量相關(guān)位點飯豆（Vignaumbellata）具有高產(chǎn)、高抗病蟲、耐逆性好等優(yōu)勢。飯豆遺傳多樣性信息的匱乏阻礙了其重要性狀的遺傳解析和優(yōu)異基因的挖掘利用。本研究組裝了飯豆（FF25）的高質(zhì)量基因組（525.6Mb），并解析其進(jìn)化地位。同時，對440份地方品種進(jìn)行全基因組重測序，通過群體結(jié)構(gòu)分析獲取群體遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)信息；通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）鑒定出多個與產(chǎn)量、花期、籽粒大小等重要性狀相關(guān)的主效位點和候選基因；本研究為飯豆進(jìn)化分析、種質(zhì)創(chuàng)新和育種改良等奠定了基礎(chǔ)。分析技術(shù)路線及結(jié)果展示優(yōu)良基因挖掘挖掘優(yōu)異種質(zhì)資源方面，夯實育種創(chuàng)新資源基礎(chǔ)。國家自然科學(xué)基金委員會剛剛發(fā)布的2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”中，“農(nóng)作物耐鹽堿機制解析及應(yīng)用”上榜。其余上榜研究包括揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)動衰老的機制、新方法實現(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準(zhǔn)操縱、揭示人類細(xì)胞DNA復(fù)制起始新機制等。優(yōu)良基因的挖掘工作為農(nóng)業(yè)資源的利用、品質(zhì)提升和抗逆性改良提供基礎(chǔ)支持。結(jié)合文獻(xiàn)報道，我們精心整理了優(yōu)良基因挖掘的技術(shù)路線（圖2），主要采用性狀定位結(jié)合基因驗證的多組學(xué)研究范式，獲取關(guān)鍵基因區(qū)域并解析其調(diào)控機制。圖2重要性狀關(guān)聯(lián)基因挖掘技術(shù)路線圖經(jīng)典案例1——GWAS+IP-MS+過表達(dá)+基因編輯：Science：Gγ蛋白調(diào)節(jié)作物對堿性的敏感性據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)，全球有超過10億公頃的鹽漬化土壤因鹽堿程度過高而不能被利用。鹽漬化土地分為中性鹽地（富含氯化鈉和硫酸鈉）和蘇打鹽堿地（富含碳酸鈉和碳酸氫鈉）。其中鹽堿化土約占鹽漬化土壤的60%。盡管學(xué)術(shù)界對于植物耐鹽性有較深入認(rèn)知，但對植物耐堿脅迫的認(rèn)識嚴(yán)重不足，這阻礙了耐鹽堿作物的培育。本研究對352個代表性高粱種質(zhì)資源進(jìn)行全基因組測序，通過全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）分析檢測到一個主效基因AT1，（Alkalinetolerance1），與堿耐受性有關(guān)。AT1編碼一種非典型G蛋白γ亞基（與水稻GS3同源），通過調(diào)節(jié)環(huán)境脅迫下過氧化氫（H2O2）的外排來緩解堿脅迫對植物的危害。研究還發(fā)現(xiàn)在水稻、玉米及小作物谷子等主要糧食作物中AT1調(diào)控機制是類似的，為主要作物的耐鹽堿分子育種奠定了理論基礎(chǔ)。分析技術(shù)路線及結(jié)果展示經(jīng)典案例2——BSR性狀定位+轉(zhuǎn)錄組+代謝組：NatureCommunications：多組學(xué)鑒定茶樹中參與兒茶素O-甲基化合成的兩種甲基轉(zhuǎn)移酶O-甲基化兒茶素是一類在少數(shù)茶葉品種中以低水平存在的衍生物，具有較高的生物利用度。本研究鑒定了參與茶葉中O-甲基化兒茶素生物合成的兩種O-甲基轉(zhuǎn)移酶（OMT）并進(jìn)一步研究了CsFAOMT1和CsFAOMT2在不同茶葉組織和種質(zhì)中的表達(dá)水平與相應(yīng)O-甲基化兒茶素含量之間的關(guān)系，進(jìn)一步揭示了結(jié)構(gòu)特征和催化機制。分析技術(shù)路線及結(jié)果展示經(jīng)典案例3—基因組組裝+定位+代謝組+基因編輯：NatureFood：多組學(xué)推進(jìn)彩色大米農(nóng)藝性狀改良彩色大米（OryzasativaL.）營養(yǎng)豐富，可以提供天然色素。但通常具有生命周期長和低生產(chǎn)力等缺點。本研究組裝了3個黑米和2個紅米水稻品種的基因組，并通過對另外46個品種進(jìn)行重測序來評估51個色素水稻品種之間的遺傳變異。代謝組學(xué)和離子組學(xué)分析表明黑米品種富含芳香族次生代謝產(chǎn)物。本研究進(jìn)一步利用CRISPR-Cas9敲除印尼黑稻CempoIreng中的3個花期負(fù)調(diào)控因子（通過比較基因組分析選擇的Hd2、Hd4和Hd5），從而得到一個早熟品種。本研究為理解和改進(jìn)亞洲彩色大米提供了多組學(xué)信息資源。分析技術(shù)路線及結(jié)果展示第二篇：園藝多組學(xué)助力研究園藝作物種類繁多，通常包括果樹、蔬菜、各種觀賞植物、香料植物及藥用植物等。隨著高通量測序技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀遺傳組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的測序手段和分析方法持續(xù)優(yōu)化迭代，多種組學(xué)測序技術(shù)的搭配使用為加大園藝種質(zhì)資源的精準(zhǔn)鑒定和深度挖掘提供強效助力。

圖1：園藝作物示意圖多組學(xué)在園藝領(lǐng)域資源普查中的應(yīng)用結(jié)合已發(fā)表多組學(xué)文章，小派為大家整理了園藝領(lǐng)域的主要研究方向：1.種質(zhì)資源普查與研究：啟動農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定評價，推進(jìn)優(yōu)異種質(zhì)資源創(chuàng)制與應(yīng)用，構(gòu)建種質(zhì)資源DNA分子指紋圖譜庫、特征庫和農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，對于品種鑒定與知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、品種純度和真實性檢測、品種親源關(guān)系和分類研究具有重要意義。2.物種起源與馴化機制研究：物種的起源與馴化過程涉及復(fù)雜的遺傳、生態(tài)和適應(yīng)性變化。通過對園藝作物進(jìn)行多組學(xué)測序可以有助于了解園藝作物的物種起源、馴化機制、適應(yīng)性進(jìn)化和家系劃分，為園藝作物的育種和遺傳改良提供扎實基礎(chǔ)。3.逆境響應(yīng)機制研究：由于固著生長的特性，植物對逆境脅迫和病蟲害及時有效地響應(yīng)是其存活的前提。通過對園藝作物進(jìn)行多組學(xué)測序和分析，挖掘其在逆境脅迫下發(fā)生的特異基因表達(dá)、特定蛋白和代謝物的變化、特定表觀修飾的發(fā)生來研究其逆境應(yīng)答機制和適應(yīng)策略，有助于培育具有優(yōu)良抗逆性的園藝作物新品種，提高其在逆境條件下的生存能力和產(chǎn)量。4.品質(zhì)形成與調(diào)控研究：優(yōu)異的種質(zhì)是園藝作物色澤、風(fēng)味物質(zhì)、功能性物質(zhì)形成的基礎(chǔ)。通過對園藝作物多組學(xué)測序挖掘品質(zhì)形成途徑關(guān)鍵基因、分子標(biāo)記和調(diào)控因子，并輔以RNAi、過表達(dá)、RT-qPCR等手段做進(jìn)一步驗證，探討高品質(zhì)性狀形成的農(nóng)藝措施和作用機制，為改良園藝作物品質(zhì)提供靶點和策略。園藝作物資源普查相關(guān)國自然資助情況小派整理了一些往年國自然中標(biāo)項目情況（表1）。2023年國自然生命科學(xué)部設(shè)立的重點項目立項領(lǐng)域在園藝學(xué)與植物營養(yǎng)學(xué)方向為“園藝作物生長發(fā)育與品質(zhì)形成機理及調(diào)控（C15）”和“作物-土壤-生物互作與養(yǎng)分資源高效利用機制及調(diào)控（C15）”，2024年則調(diào)整為“園藝作物重要農(nóng)藝性狀形成機制與調(diào)控（C15）”和“養(yǎng)分資源高效利用機制與調(diào)控（C15）”。綜合來看，利用多組學(xué)探究重要農(nóng)業(yè)性狀等品質(zhì)形成與調(diào)控的機制已成為園藝領(lǐng)域重點。表1：園藝作物資源普查相關(guān)國自然部分中標(biāo)項目多組學(xué)在園藝領(lǐng)域資源普查中的應(yīng)用文章案例一種質(zhì)資源普查與研究文章標(biāo)題：ConstructionofanSNPfingerprintingdatabaseandpopulationgeneticanalysisof329cauliflowercultivars期刊名：BMCPlantBiology影響因子：5.3結(jié)論：本研究整合了全基因組重測序數(shù)據(jù)和KASP技術(shù)，并對在公開市場上收集的329個花椰菜品種群體構(gòu)建了一個指紋數(shù)據(jù)庫。41個SNP形成了核心標(biāo)記集，并用于構(gòu)建329個花椰菜種質(zhì)資源的SNP指紋。這329個花椰菜品種可以被分為3個類群，其分類模式與地理來源和花球緊實度一致，這也證明了本研究中SNP標(biāo)記的可靠性和準(zhǔn)確性，以及DNA指紋技術(shù)的實用價值。它們將能夠彌補當(dāng)前商業(yè)市場上花椰菜品種真實性和純度鑒定方面的空白。分析技術(shù)路線及結(jié)果展示案例二品種起源與馴化文章標(biāo)題：Phaseddiploidgenomeassembliesandpan-genomesprovideinsightsintothegenetichistoryofappledomestication期刊名：NatureGenetics影響因子：30.8結(jié)論：本研究通過三代基因組測序手段對栽培蘋果(Malusdomesticacv.Gala)和兩個主要的祖先種野生蘋果(M.sieversii和M.sylvestris)進(jìn)行基因組測序和組裝，并對91個蘋果種質(zhì)進(jìn)一步做泛基因組研究，蘋果泛基因組的構(gòu)建和分析揭示了數(shù)以千計的新基因，并發(fā)現(xiàn)在栽培蘋果中固定下來的基因，揭示了新基因/等位基因的滲入是蘋果通過雜交馴化的一個標(biāo)志。該研究全面系統(tǒng)地解析了蘋果的起源、馴化歷程和遺傳學(xué)基礎(chǔ)，為果實風(fēng)味、口感、產(chǎn)量等多種品質(zhì)性狀和改良提供了重要依據(jù)。分析技術(shù)路線及結(jié)果展示案例三逆境響應(yīng)機制研究文章標(biāo)題：DualityofimmunerecognitionbytomatoandvirulenceactivityoftheRalstoniasolanacearumexo-polygalacturonasePehC期刊名：PlantCell影響因子：11.6結(jié)論：本研究報道了一種來自青枯菌的多聚半乳糖醛酸酶外切酶(exo-PG)PehC可以激活番茄根系的早期免疫反應(yīng)。PehC的識別特異性發(fā)生在番茄根部，并依賴于未知的類受體激酶型受體。PehC可以水解植物果膠衍生的低聚半乳糖醛酸(OGs)，這是一種損傷相關(guān)分子模式(DAMP)，釋放半乳糖醛酸(GalA)，從而抑制DAMP觸發(fā)的免疫(DTI)。同時，產(chǎn)生的GalA在青枯菌侵染早期可以作為碳源被利用，從而促進(jìn)其在木質(zhì)部的定殖和生長。分析技術(shù)路線及結(jié)果展示案例四品質(zhì)形成與調(diào)控研究文章標(biāo)題：Genome-andtranscriptome-wideassociationstudiesprovideinsightsintothegeneticbasis