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谢旗课题组综述高粱驯化遗传特点和驯化相关基因的分子机制

  • 以下文章来源于aBIOTECH ，作者Ge FY
  • 日期：2022-12-23
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        作物驯化大约起始于12000年前，它使人类从狩猎采集社会过渡到定居社会，进而催生了农耕文化和人类文明。迄今为止，约有150种植物被广泛栽培，其中15种作物为人类提供约70%的能量来源，水稻、小麦、玉米三大主粮作物提供的能量占比超过50%。在不同作物的驯化过程中，一些关键的农艺性状往往经历了平行或趋同进化，例如种子休眠和落粒性的丧失、萌芽期一致、种子或果实的增大、分蘖数减少等，这些性状的改变称为“驯化综合征”。近年来，综合考古学、遗传学、分子生物学、基因组学及生物信息学等领域的研究，人们对主要作物的驯化历史、遗传背景、驯化相关基因的分子机制有了深入了解，发现作物关键形态性状的驯化往往由少数几个主效应位点控制。在理解了驯化相关基因的分子机制后，科研工作者可以通过基因编辑技术加快作物育种进程，实现植物野生种的从头驯化，开发新的可利用植物物种。
        高粱作为世界第五大禾谷类作物，在非洲和亚洲的一些干旱半干旱地区作为主粮作物养活了5亿多人口。除了作为食物外，高粱还是酿酒、酿醋的重要原料，还可以加工为青贮饲料、生物能源和扫帚，具有极大的利用价值。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗课题组在aBIOTECH发表了题为“Genetic architecture and molecular regulation of sorghum domestication”（点击题目查看原文）的综述论文。
        文章首先总结了高粱的起源、驯化过程和遗传特点。高粱起源于非洲萨赫勒地区，考古发现证实人类食用高粱约有8000年的历史。大约6000-4000年前栽培高粱在今苏丹东部完成驯化，其对干旱、贫瘠土壤、盐碱、高温等非生物胁迫有良好的耐受性。根据穗形和小穗特征，现代栽培高粱可以分为5个亚群，分别是双色族、顶尖族、几内亚族、卡佛尔族和都拉族。在农业育种中，高粱分为籽粒高粱、甜高粱、饲料高粱和扫帚高粱。不同用途的高粱经历人工选择后具有不同的特点，比如籽粒高粱种子大、株高低；甜高粱生物量大、茎秆含糖量高；饲料高粱则要兼顾高生物量和优良适口性；扫帚高粱穗形松散、枝梗很长。
        高粱是二倍体(2n = 2x = 20)，基因组较小，约730 Mb。根据比较基因组学的分析结果，科学家发现高粱驯化过程中没有明显的“瓶颈效应”，同时栽培高粱基因组中积累了更多的有害突变，而驯化过程中不同亚群之间、以及地方种与野生高粱之间的广泛杂交在很大程度上降低了高粱的遗传负荷。群体遗传学的证据也表明籽粒高粱地方种与野生高粱存在广泛的基因交流，而甜高粱与扫帚高粱、苏丹草也存在大片段的相似染色体连锁区块。
       作者同时系统梳理了近年来在高粱中定位的驯化性状相关基因及其分子机制，如株高、分蘖数、茎秆持汁性、花期、包壳程度、芒长、落粒性和单宁含量。这些分子机制揭示了高粱在进化中如何通过遗传和代谢调控适应“植物-人-环境”这一复杂的三角关系。最后，文章展望了育种4.0时代高粱的精准分子育种和从头驯化策略，指出高粱作为一种生物量大、耐逆性强的优良作物，在应对气候变化和保障粮食安全中可以发挥更大作用。
        该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导专项、宁夏农业育种专项、国家青年科学基金等项目的资助。中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生葛逢勇为论文第一作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究员为通讯作者。