山農大破譯五節芒基因“密碼”
為種質利用和新品種創制提供理論支撐
圖為五節芒。（□王桂利供圖）
□記 者 王桂利
通訊員 郭翠華 報道
本報泰安訊 5月6日，國際著名期刊《自然植物》（Nature Plants）在線發表了山東農業大學農學院陳翠霞教授課題組的研究成果。該成果破譯了五節芒基因組，解析芒屬植物基因進化歷史，并揭示了芒草中纖維素或半纖維素含量高的分子機制，為種質利用和新品種創制提供了理論支撐。
長在荒地里的芒草是一種高大的野草，這種看起來平平無奇的禾本科植物是世界上最具開發潛力和廣泛用途的重要木質纖維素原料作物，可以用來生產生物質燃料酒精。芒草在我國分布廣泛，主要有芒、五節芒、荻和南荻等種類?！斑@類植物生長速度快、生物產量高、易繁殖、抗逆性強，可在荒草地、鹽堿地、沼澤灘涂等邊際土地上種植生長。它用途廣泛，如固土保水、改良土壤、改善生態環境，作為可再生生物質原料轉化為熱能、電能、液體燃料等，用作畜禽飼草，是很好的木質纖維素原料作物。”陳翠霞告訴記者。
近年來，國內外學者對芒屬植物進行了深入研究。高粱和甘蔗野生種基因組已被學者們破譯，但芒屬植物由于基因組龐大、重復序列多和高度雜合等特性，一直缺乏高質量染色體級別的參考基因組。
陳翠霞課題組經過十余年的研究，對芒屬植物代表性物種五節芒的基因組高深度測序數據進行分析，計算出其基因組大小為2462.35Mb，雜合度為1.89%，重復序列比例為73.42%?？紤]到五節芒基因組的復雜度，他們綜合利用了二代、三代、10xGenomics等測序方式，并通過Hi-C掛載到五節芒的19條染色體上，再先后用遺傳圖譜數據和BioNano數據進行修正和驗證，并進行了基因組的基因注釋和轉座子注釋等。結果表明，他們組裝得到的五節芒基因組是染色體級別的高質量參考基因組。通過進一步研究，他們又確定了五節芒8號染色體是由高粱祖先種4號和7號染色體融合而來，并鑒定出新融合染色體的著絲粒位置。
在上述研究成果基礎上，陳翠霞課題組又繪制出高粱、甘蔗和五節芒基因組之間或組內共線性基因的洛倫茲曲線（Ks plot），推斷三個物種之間的具體進化關系和時間。他們認為，芒草、甘蔗祖先種與高粱祖先種在約550至610萬年前發生了分化，而后在約430至460萬年前芒草與甘蔗屬祖先基因又發生分化，通過基因組加倍、染色體重排等分別演變成現在的芒屬植物和甘蔗野生種。
“我們還鑒定了高粱、甘蔗和五節芒中纖維素合酶CesA/Csl家族基因，構建了系統進化樹?！标惔湎颊f。課題組對五節芒不同組織部位纖維素合酶基因表達量進行檢測，發現在正伸長的莖稈組織中高表達，與芒屬植物所有基因的表達量相比，大部分CesA和部分Csl基因表達水平最高，這與芒屬植物極高的纖維素或半纖維素含量相吻合。
陳翠霞說，十余年前，受石油價格上漲的影響，歐美發達國家紛紛投入大量資金研究可再生能源，木質纖維素作物，如芒草、柳枝稷等成為科學家研究的重點。近期木質纖維素作物基因組成果頻出，就是十多年來不間斷研究的成效。
芒屬植物起源于東南亞，在我國具有豐富的遺傳多樣性。為此，陳翠霞課題組還搜集了芒、荻、南荻、五節芒等國內多個芒屬代表性物種及巨芒等國外雜交種共75個居群，對它們進行二代全基因組重測序，并對測序得到的變異位點分類和進化樹構建。他們根據研究結果推測，芒屬植物之間存在著廣泛的種間雜交和漸滲作用，這為通過雜交培育出更優異的芒屬或甘蔗屬植物品種提供了理論支持。
據陳翠霞介紹，課題組在黃河三角洲鹽堿地已開展了近八年的種植試驗工作，目前共種植20多畝的試驗材料，適應性良好，表現出優異的耐鹽性。這對于鹽堿地的脆弱生態恢復、土壤改良和開發利用，乃至糧食安全和生態安全意義深遠。
