中科院遗传发育所完成首个植物图形结构基因组，助力大豆“绿色革命”
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大豆起源于中国，古称“菽”，约在5000年前左右由野生大豆驯化而来，随后广泛传播于世界各地。大豆为人类提供了主要的植物油料和蛋白资源，已经成为世界性的重要粮食经济作物。随着世界人口增加和饮食结构的改变，全球对大豆的需求逐年增加。尤其对于我国，大豆需求量大。然而，我国大豆消费对外依赖严重。加强大豆研究，提高大豆产量迫在眉睫。“绿色革命”是近代史上最重要的农业历史事件之一。在过去的60年里，得益于“绿色革命”，水稻、小麦、玉米单产发生了大幅度的提高。然而，大豆平均单产相对其他主粮而言尚无明显突破，大豆生产亟需“绿色革命”。
中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜研究团队长期从事大豆功能基因组研究，致力于通过多组学联合的方法，解析影响重要农艺性状的网络调控系统，培育高产优质大豆新品种。该课题组于2020年在molecular plant撰写题为toward a 'green revolution' for soybean 的观点性文章（liu et al., 2020），对作物育种历史和主粮作物的“绿色革命”历程进行了简单回顾，综合分析和比较了大豆与其他主粮作物在产量构成因素的关键差异，重点讨论了未来实现大豆“绿色革命”的可能研究方向和途径。以期通过该论述抛砖引玉引发更广泛的讨论和深入研究，为培育单产大幅度提高的大豆“绿色革命”新品种提供新思路。
对于一个物种而言，高质量参考基因组是基础和应用研究的重要前提。目前，大豆研究广泛采用的参考基因组是由美国科学家领衔完成的，来源于一个美国品种─williams 82。在功能研究中发现，该参考基因组存在一定数量的组装错误，影响了大豆功能基因组的发展。2018年田志喜研究员领衔国内多家单位完成了曾获国家进步一等奖的大豆品种——“中黄13”的基因组组装和注释 (shen et al., 2018)。2019年，研究团队又采用更为精准的组装方法，进一步对其组装进行了优化，构建了黄金版的大豆基因组 (shen et al., 2019)。
大豆在驯化、改良以及从中国向世界各地的引种过程中产生了诸多遗传瓶颈效应，使得来自不同主产区的大豆品种间具有明显的遗传变异。2015年，田志喜研究员领衔科研团队，通过对302份大豆种质资源的深度重测序，对大豆在驯化和改良中的遗传变异演化规律进行了研究，鉴定到大量重要的基因组选择位点，明确了大豆在从野生大豆到栽培大豆演化过程中油份含量增加的遗传基础，同时发现不同大豆种质资源之间存在较大的遗传变异（zhou et al., 2015）。这就导致单一或少数基因组不能完全代表一个物种所有的遗传变异。
在原有研究基础上，田志喜研究员团队联合中科院遗传发育所梁承志和朱保葛团队、中科院分子植物科学卓越创新中心韩斌院士团队、上海师范大学黄学辉教授团队和北京贝瑞和康生物技术有限公司相关人员，首先对来自世界大豆主产国的2898个大豆自然种质资源进行了深度重测序和群体结构分析，进而精心挑选出26个最具代表性的大豆种质材料。该26个种质包括3个野生大豆，9个农家种和14个现代栽培品种，其中一些材料作为骨干核心亲本已经培育了上百个优良新品种，一些材料是各个大豆主产区推广面积最大的主栽品种。研究团队利用最新组装策略，对该26个大豆种质进行了基因组的重头组装和精确注释。在此基础上，结合已经发表的中黄13、williams 82 和 w05 基因组，构建了高质量的基于图形结构的基因组，经过泛基因组分析，挖掘到大量的大片段结构变异。深入分析发现，有些结构变异导致了不同基因间的融合，这为新基因的产生研究提供了重要线索；一些结构变异在重要农艺性状调控中发挥重要作用，如种皮亮度、种皮颜色的驯化、缺铁失绿等。
该大豆图形结构泛基因组是植物中首个报道的图形结构基因组，该基因组和相关的2898份自然群体遗传变异的发布为大豆研究提供了极为重要的资源和平台，将大力推进大豆分子设计育种，助力实现大豆“绿色革命”。
中科院遗传发育所田志喜研究员课题组的刘羽诚博士生、梁承志课题组杜会龙博士生为该论文的第一作者，田志喜研究员为论文通讯作者，梁承志研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院a类战略性先导科技专项、中科院重点部署和国际合作项目的资助。
