大豆基因组重测序表明:野生大豆遗传多样性更高

2010-11-17 15:32 来源: 中国科学院
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  “中原有菽,庶民采之。”五千年前,华夏始祖将野生大豆驯化,变成今天的“五谷”之一。而今,一项被称为“大豆回家”的基因组研究计划在其故乡中国取得突破。

  11月15日,由香港中文大学、华大基因研究院、农业部基因组重点实验室、中国农业科学院等单位合作完成的《31个大豆基因组重测序揭示遗传多样性和进化选择模式》在线发表,并将作为封面故事刊登于下期的《自然—遗传学》杂志。

  这项研究主要由港深两地科学家合作完成,并在世界上首次对野生大豆和栽培大豆全基因组进行了大规模遗传多态性分析。

  “重测序”开启大豆差异化魔盒

  “这是世界上首次大规模获得野生和栽培大豆群体基因组数据。”文章共同第一作者之一、华大基因研发部门副总裁徐讯博士告诉记者。

  据了解,研究人员运用新一代测序技术对17株野生大豆和14株栽培大豆进行了全基因组重测序,总共发现了630多万个SNP(单核苷酸多态性位点),建立了高密度的分子标记图谱。

  SNP是指基因序列中单个碱基的不同。倘若把大豆看做是一部印满“文字”的书籍,那上述的31株品种就可以看做是该书的不同版本,而SNP则像每个版本书中个别“文字”的差异。

  这种差异通常不会造成“歧义”,但有时候,一“字”之差就让不同版本的书籍意义相左。在大豆中,大约1000多个“文字”中就存在1个“文字”的差异。这些SNP细小的差别,就可能导致某品系的大豆与众不同,或产量高于同类,或产量严重不足。

  为了打开SNP的“潘多拉魔盒”,目前普遍使用“重测序”的方法。该方法是指通过核酸测序仪,对已知基因序列的基因组再进行一次测定,并对单个或者多个品种进行分析,得到SNP、PAV(获得和缺失变异)等遗传信息的技术。

  当前,随着测序成本的降低,“重测序”已经成为动植物育种研究中便捷而有效的方法。而今年1月份,第一张豆科植物完整基因组序列图谱的公布,使得大豆“重测序”成为可能。

  在“重测序”基础上,华大基因研究院的研究人员通过自主研发的SOAP denovo软件,分别对野生大豆和栽培大豆的测序数据进行组装拼接,除得到大量SNP外,还发现了栽培大豆获得或丢失的野生大豆基因。

  “大量的野生大豆和栽培大豆的基因差异揭示了大豆基因组在驯化过程中发生变化的机制,使重新找回人为耕种选育中流失的优秀基因成为可能。”文章另一位共同第一作者、香港中文大学教授林汉明博士强调。

  林汉明等还发现,大豆基因组与其他作物植物有所不同,其在较高程度的基因连锁现象、重组交换频率极低。因此,分子标记育种可能会比基因图位克隆拥有更多优势。

  “寻找对产量和抗逆紧密连锁的SNP是我们下一步研究的重点。另外,我相信,国内其他大豆专家也会利用我们的数据对手中的大豆材料作进一步研究。”林汉明谈了未来的想法。

  聚焦野生大豆种质资源

  该研究还得出一个重要结论,即与栽培大豆相比,野生大豆拥有更高水平的遗传多样性。这表明人类的耕种筛选很有可能导致栽培大豆生物多样性的狭窄,对可持续种植带来负面影响。

  此外,随着生存环境的减少,野生大豆有效群体在减少,它提示中国急需保育野生大豆种质资源。

  据了解,野生大豆在世界上分布非常狭窄,仅限于东亚的非干旱温带地区,包括中国、日本、朝鲜半岛、俄罗斯的远东地区、库页岛、千岛等。而我国除新疆、青海、海南三省外,均有野生大豆的身影,目前收集的野生大豆种质6000余份,占世界总量的90%以上,是名副其实的野生大豆的家乡。

  正因如此,国外想方设法获得我国野生大豆资源。截至2002年6月30日,美国从中国引进的大豆种质资源达6000多份,并从我国的野生大豆资源中鉴定出带有高产基因的标记,在全球101个国家申请专利。

  野生种质资源极其珍贵。“水稻之父”袁隆平也曾多次表示,如果没有野生稻资源,要在水稻优良品种培育上有大的突破非常困难。

  野生大豆为何如此宝贵?面对记者的疑问,徐讯说:“部分野生大豆具有较强的环境适应能力,在涝洼、盐碱、干旱、瘠薄土壤都能生长。此外,野生大豆还有一些其他优良性状,如抗虫害、氨基酸种类丰富等。如果利用这些野生大豆和现有大豆杂交,将可能培育出抗病虫害能力强、产量高、品质好的新品种。”

  然而,当前我国栽培大豆育种工作存在的主要问题却恰恰是种质资源的贫乏。在已经育成品种中,也存在着血缘关系近、性状单一等弱点。

  这不得不归咎于野生大豆有效群体不断地减少。据了解,我国乃至世界的野生大豆资源均面临危险处境。

  今年9月,河南省周口市沈丘站附近发现200多亩濒危野生大豆,引起农业科学家的极大关注。然而,这片生长在宁洛高速公路旁的野生大豆得以保存,竟是因为该地没有农业生产,野生大豆出苗后未遭人为因素破坏。

  林汉明等从基因水平的大规模分析得出的结论更是为我们敲响了警钟。当前,从国家战略高度保护野生大豆种质资源已时不我待。

  大豆故乡话合作

  中国是大豆的故乡,并曾一直是世界大豆最大的生产国和出口国。然而自上世纪50年代起,美国大豆后来居上,种植面积、产量已升至世界首位。2005年,我国大豆总产量不足世界总份额的10%,单产不及美国的70%。

  更为严峻的是,我国大豆生产总量只能满足国人需求的1/3。目前,中国业已成为全球最大的大豆进口国,约占全球总出口量的一半,不得不受制于人、看人脸色。

  同时,中国大豆在科研和生产方面与发达国家的差距明显。虽然我国同样拥有许多优秀的大豆育种专家和科研人员,但在国际高水平期刊发表的大豆研究文章却主要在海外完成。

  “这项研究由中国科研人员在中国本土完成,我在感情上是很愉快的。”林汉明很满足。

  据了解,2009年,在香港中文大学农业生物技术国家重点实验室主任、中国工程院院士辛世文的支持下,林汉明研究组与深圳华大基因研究所合作开展大规模的大豆基因组“重测序”工作,希望中国人自己在大豆的故乡完成这项重要计划。

  林汉明1997年1月从国外回香港中文大学工作,通过合作与交流,他逐步认识到大豆对于中国的特殊意义。此次香港中文大学与深圳华大基因研究院携手,打破了地域及文化差异的界限,终于由国人在自己的土地上对大豆基因组研究作出了重要贡献。

  这项贡献虽然可以世界共享,但对中国大豆研究更具帮助。据了解,基因组的数据需要配合遗传群体的性状才能发挥最大效益。由于该项目中的种质资源并未公布,因此,中国专家比海外专家能更有效地利用研究数据。

  大豆将真正回家。