去年1月中国科学院植物研究所景海春研究员团队在 Molecular Plant 发表题为 Genomic footprints of sorghum domestication and breeding selection for multiple end uses 的研究论文，通过收集来自全球的445份高粱种质资源，依据驯化改良与育种用途两个纬度，分析了不同类群的基因组变异。通过比较野生、地方小种、改良甜高粱、改良籽粒高粱全基因组差异，解析了群体间遗传交流特征，鉴定了驯化和改良的基因组印记及受选择驯化基因的单倍型变化模式，并从关键驯化改良基因单倍型变化的角度为高粱的驯化历程和利用提供分子证据。
作物驯化和遗传改良在人类从游牧狩猎到定居的生活方式过渡过程中起着关键作用。面对可持续发展的需求和应对气候环境的挑战，揭示驯化和改良过程的基因组选择，探索种间杂交以及平行/趋同进化的遗传机制变得至关重要。高粱不仅是世界第五大谷类作物，还具有多种用途，如食物，饲料，酿酒，制糖和生产生物燃料等。按照现代育种目标，大致可以将高粱分为饲草高粱，籽粒高粱，甜高粱和帚高粱等（图1）。
图1高粱丰富的类群与多用途。从上至下依次为各类型高粱穗型及节间，新鲜及烘干后的茎秆横截面，以及整株高粱展示。Wild：野生高粱；Sudangrass：饲草高粱；LB：Landrace Broom，地方帚高粱；LG：Landrace Grain，地方籽粒高粱；IG：Improved Grain，改良籽粒高粱；IS：Improved Sweet，改良甜高粱。
该研究发现不同亚群的血缘关系相对独立，但也存在很明显的混杂情况，各亚群之间存在广泛的基因流，表明高粱具有频繁的种内和种间杂交。研究人员还发现了多个亚群之间存在大片段的相似染色体连锁区块，同样可以作为各群频繁基因流动的佐证（图2）。
图2 高粱群体结构及各亚群之间的基因组遗传交换
通过正选择扫描分析挖掘出14.68% (~107.5 Mb) 的高粱基因组在进化过程中受到选择，涉及到驯化阶段、籽粒高粱改良和甜高粱改良过程中的 3649、4287 和 3888 个基因（图3）。该研究还总结出驯化基因从野生到地方小种再到改良高粱过程中的8个不同的单倍型变化模型（图3），Sh1和SbTB1分别代表了两类基因重要的模型，一种是弱选择及多起源模式，另一种是强选择及单驯化模式。此外，该团队还证明了在籽粒高粱改良过程中对高粱茎秆含汁性关键调控转录因子Dry基因的无意识选择。
图3 高粱全基因组选择信号扫描及驯化基因单倍型进化模式解析
中国科学院植物研究所景海春课题组吴小园、刘远铭和罗洪为论文第一作者，景海春研究员和郝怀庆副研究员为通讯作者。该研究得到了科技部重点研发、中科院先导专项等项目的资助。
