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何航课题组与合作者揭示籼稻血缘渗入对粳稻遗传改良的贡献

     2022年4月13日,中国农业科学院作物科学研究所韩龙植团队和北京大学何航团队在Plant Communications期刊在线发表了研究论文“Genomic insights on the contribution of introgressions from Xian/indica to the genetic improvement of Geng/japonica rice cultivars”,系统解析了我国粳稻育成品种的演变规律和改良历史,在基因组层面揭示了籼稻血缘渗入对粳稻性状改良的贡献,为未来水稻基因组育种提供了新思路。

     1.我国粳稻品种基因组组成的演变:为了研究粳稻主栽品种的演变规律,对816份不同时期代表性粳稻品种进行了重测序分析(图1),构建了高密度基因组变异图谱。整合已发表的5500份水稻测序数据,系统分析了不同时期主栽品种的基因组组成。研究发现1980年前、1980-1990年代、2000年后粳稻品种基因组中籼稻血缘分别占1.7%、3.3%和6.9%,粳稻育种改良过程中籼稻血缘比例逐渐提高;籼稻血缘的导入贡献了一些粳稻品种中缺乏的优异等位基因,从基因组层面反映了我国粳稻的改良历史。

 

图1. 粳稻品种的系谱关系及其遗传结构

 

     2.籼稻血缘渗入对粳稻性状改良的贡献: 研究发现,自20世纪80年代以来,来自3个不同籼稻亚群的血缘向粳稻品种中的渗入持续增加,籼稻血缘的渗入使粳稻的重要性状发生了显著变化,如稻瘟病抗性提高、每穗粒数增加、单株穗数减少、株型由多穗型向重穗大穗型转变。还发现与株型、产量和抗病虫性相关基因(如:IPA1、SMG1、DEP3、Pib、Pi-d2和Bph3等)的等位基因由籼稻渗入到粳稻中。

     3.调控水稻穗粒数新基因Gnd5为渗入的靶基因:利用全基因组关联分析,鉴定了一个调控水稻穗粒数的新基因Gnd5,该基因编码GRAS家族的转录因子,与野生型相比,Gnd5敲除突变体的穗粒数显著减少(图 2)。研究发现,与早期育成品种相比,Gnd5基因籼型优势单倍型Hap2频率在中、后期育成品种中不断提高,说明Gnd5基因是渗入的靶基因,对育种具有重要的应用价值。

 

图2 GWAS鉴定到调控水稻穗粒数的新基因Gnd5

 

     4. 3个代表性粳稻系谱中优势单倍型的利用模式:系谱能够直接反映品种的改良过程和品种间亲缘关系,是遗传研究的绝佳对象。以来自辽宁省、吉林省和黑龙江省的代表性骨干亲本辽粳5号(LG5)、吉粳60号(JG60)和合江20号(HJ20)的系谱为对象,研究系谱中穗粒数相关基因单倍型的利用模式,发现多基因的优势单倍型聚合利用存在较强的系谱背景特异性。其中Gnd5和DEP3分别在LG5和JG60系谱中表现大的遗传效应,它们的籼型优势单倍型特异性地渗入到LG5和JG60系谱中。该研究解析了不同粳稻遗传背景下籼稻基因单倍型渗入程度的差别,有助于未来在广泛遗传背景下进行QTL聚合和育种路线优化。

     中国农业科学院作物科学研究所韩龙植研究员与北京大学何航研究员为论文共同通讯作者,中国农业科学院作物科学研究所崔迪博士、北京大学博士生周涵和中国农业科学院作物科学研究所马小定副研究员为论文共同第一作者。北京大学现代农业研究院邓兴旺教授、江西省农业科学院水稻研究所黎毛毛研究员、宁夏农林科学院农作物研究所孙建昌研究员、山东省临沂市农业科学院金桂秀研究员、辽宁省水稻研究所王先俱副研究员等对本研究提供了支持。本研究得到国家重点研发计划项目等支持。

 

 

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