細(xì)莖野生種Np-X與AP85-441的表型、核型和基因組特征的比較

中國(guó)科學(xué)報(bào)? 6月3日，福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院基因組中心教授張積森團(tuán)隊(duì)以《同源多倍體甘蔗細(xì)莖野生種的近期基因組演化》為題，相關(guān)研究發(fā)表在《自然—遺傳學(xué)》上。

該研究解析了細(xì)莖野生種天然同源四倍體Np-X基因組，并利用基因組學(xué)手段系統(tǒng)闡明了甘蔗細(xì)莖野生種（又稱割手密）的起源、染色體基數(shù)、基因組倍體、關(guān)鍵性狀相關(guān)基因的演化，為甘蔗的基因組輔助育種奠定了重要的理論基礎(chǔ)，對(duì)于推動(dòng)甘蔗種質(zhì)資源的應(yīng)用具有里程碑式的意義。

現(xiàn)代栽培甘蔗是100多年前高貴種與細(xì)莖野生種人工雜交后產(chǎn)生，高貴種是同源八倍體，種內(nèi)的材料擁有穩(wěn)定的核型（2n=8x=80），而細(xì)莖野生種為現(xiàn)代甘蔗栽培種貢獻(xiàn)了抗逆、分蘗等優(yōu)良性狀，也實(shí)現(xiàn)了甘蔗在育種史上最大的突破。但細(xì)莖野生種分布區(qū)域廣（從地中海到太平洋），并且其具有寬泛的倍性變異（從四倍到十六倍）和基礎(chǔ)染色體數(shù)變異（8，9，10），其中，十六倍體的細(xì)莖野生種是甘蔗屬已知的倍性最高的材料，由于細(xì)莖野生種遺傳背景的高度復(fù)雜，其起源和演化是研究界百余年來(lái)懸而未決的重要科學(xué)問(wèn)題，這極大地限制了現(xiàn)代甘蔗育種的進(jìn)程。

為了研究細(xì)莖野生種群體的遺傳多樣性，研究人員基于高質(zhì)量的細(xì)莖野生種Np-X基因組，對(duì)分布在世界范圍內(nèi)的102份割手密材料進(jìn)行了遺傳多樣性分析，系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)和群體結(jié)構(gòu)分析表明細(xì)莖野生種起源于印度北部，細(xì)莖野生種群體可以分為4個(gè)亞群，其中，亞群1與亞群2之間存在較弱的基因交流，這4個(gè)亞群之間獨(dú)立演化。

研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于5號(hào)和8號(hào)染色體著絲粒區(qū)域reads覆蓋度的方法來(lái)鑒定細(xì)莖野生種的染色體基數(shù)，該方法快捷、簡(jiǎn)易、準(zhǔn)確、高效，為甘蔗遺傳背景的鑒定提供了重要的策略。此外，研究人員通過(guò)對(duì)染色體基數(shù)為x = 8，x = 9 和x = 10的細(xì)莖野生種群體進(jìn)行遺傳多樣性分析揭示了細(xì)莖野生種的倍性是獨(dú)立演化的，并且x = 8的群體沒(méi)有經(jīng)歷人工選擇。

通過(guò)對(duì)細(xì)莖野生種有效群體大小分析表明，細(xì)莖野生種群體在12 ~ 14萬(wàn)年前的有效群體大小達(dá)到了最大值，而在0.8 ~ 1.4萬(wàn)年前經(jīng)歷了群體瓶頸效應(yīng)，可能與當(dāng)時(shí)全球氣候經(jīng)歷“新仙女木”事件有關(guān)。最后，該研究系統(tǒng)總結(jié)了細(xì)莖野生種群體的演化規(guī)律，并提供了細(xì)莖野生種遺傳背景的演化模型。

據(jù)悉，福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院基因組中心張積森課題組博士生張清（目前在中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所工作）、齊浥穎、碩士生潘浩然和基因組中心教授唐海寶為論文共同第一作者，張積森為通訊作者。