Nature Biotechnology|小米（珍珠粟）的基因组草图揭示其恶劣环境生存的机制（重磅推荐）

iNature：很少的驯化植物可以在恶劣的环境中繁荣发展。 小米（珍珠粟）（Cenchrus americanus（L.）Morrone）就是其中之一。 它可以在干旱条件，高盐度和高pH值土壤中种植，是世界许多地区的主食，包括非洲和印度，部分中国西部地区。 了解这一物种成功生长的生物学基础，可能对促进最需要改良品种的地区，推进农业发展具有广泛的意义。 在这个问题上，Varshney等报道了珍珠粟的基因组序列草图，并研究了994个珍珠小米品种的遗传多样性。 为了帮助阐明珍珠小米如何应对艰难的环境条件，这项工作将指导这种作物的改良，包括制定适应全球气候变化的新方法。

对于基因组学工具，想在作物改良中派上用场，需要三个层面的信息：参考基因组及其注释;了解物种内的基因型和表型多样性;以及将基因型与表型相关联的预测模型。 Varshney等提供了所有这些组分，包括1.8 Gb基因组，38,579个注释蛋白，963个重新排序的近交系和31个野生种质的几乎完整的草图，以及它们在干旱和灌溉条件下的表型。这项工作为珍珠粟的基因组工具提供了与其他作物相适应的工具【1，2】。

片生的珍珠粟

从他们的数据开始，作者进行全基因组关联研究，以发现与有益性状相关的基因组区域。他们能够识别与提高产量的15种性状相关的显性标记，如粒度和粒数。这些发现可以直接应用于小米育种计划，以获得更好的作物品种。

珍珠粟

现代农业在很大程度上依赖于发现结合不同基因型的有益效果，这种作用称为“杂交活力”。有关物种遗传差异的信息可以作为预测和跟踪有益组合的有力工具。基因组选择的过程，一种遗传标记辅助选择，利用沿着基因组的数百万个多态性进行分析，以揭示与有益特征相关的标记【3】。这意味着育种者可以使用从小幼苗提取的DNA预先筛选有益的遗传组合，并预测性能，而不需要等到植物成熟，这大大的缩短了作物育种的时间。

珍珠粟基因组草图

Varshney等人开发了基因组选择模型，以准确预测在正常和应激环境下的混合性能（下图）。他们发现了170种很有希望的混合组合：11种以前已被使用，并表现出更好的混合性能，而159种组合从未被测试过。这些潜力可以使育种者有机会选择哪个品种进行测试。作为参考，由Varshney等人测序的所有963个近交系可以在理论上跨越464,166种不同的方式，而当这一数字表示雄性与雌性父母本使用哪个时，这个数字是两倍。因此，新的工作可以使搜索组合减少超过1000倍。

基因组选择模型

比较玉米，水稻和小麦等较脆弱亲属的基因组，可以耐受沙质土壤热和繁殖的珍珠粟的基因组序列，可能会产生有价值的见解。 Varshney等人研究了其他禾本科植物与珍珠粟的蛋白质家族的扩增差异，并确定了小米特异性扩增的基因家族。其中大部分参与维持一个名为cutin的糯性疏水植物角质层，这与小米优良的抗旱能力相关。

不同作物基因家族保守性比较

在分析中包含小米的野生亲属是重要的，因为它们的基因组携带有利于在驯化过程中失去的有益特征。野生亲属通常具有抗病基因，可以使用靶基因捕获和其他下一代测序技术快速鉴定。现在有近1000种珍珠粟基因组可用，Varshney等没有报道的表型，如抗病性，可以在同一种质上进行研究，并覆盖现有数据。

物种进化学分析

历史上限制种植珍珠粟的因素是新品种的产生缓慢，化肥缺乏，对杂草，疾病和有害生物的抵抗力下降。虽然珍珠粟可以在干燥的沙质和岩石土壤上生长（高粱和玉米也可以生长），但现代高粱和玉米杂交种在最佳条件下表现优于珍珠粟。对珍珠粟基因组及其生物多样性进行研究，可以使珍珠粟的品质得到改善，从而产生更好的产量，因此成为最需要的地区的更可靠的主食。更广泛地说，了解这种作物在恶劣的环境中如何蓬勃发展，应该有助于产生具有增强的耐热性和各种压力源的其他作物。

珍珠粟遗传多态性

将基因组学与生物多样性联系起来可以加速下一次农业革命。最重要的挑战是将最终的发现转化为改良品种，并将种子分发给最需要他们的农民。

不同珍珠粟品系杂交表现能力

非洲大约70％的人口和80％的穷人生活在农村【5】。为这些地区提供更好的种子，需要研究人员，育种者和政府的协调努力。到目前为止，旨在实现这一目标的最显着的项目是“非洲耐旱玉米项目”（http://dtma.cimmyt.org/）和下一代木薯繁殖项目（http://www.nextgencassava.org/） 。非洲耐旱玉米【6】及其随后的种子扩大项目由国际小麦和玉米改良中心负责管理，并已经为抗旱，适应性好的玉米，进行广泛的种植，帮助非洲东部，西部和南部非洲13个国家的农民，约有4300万人受益。下一代木薯项目正在实施基因组选择系统地提高非洲主食的产量和营养价值。随着现代技术的发展，其他农作物如山药和烈酒也将继续丰富世界桌面。

延伸阅读

原文链接

https://www.nature.com/nbt/journal/v35/n10/full/nbt.3984.html

https://www.nature.com/nbt/journal/v35/n10/full/nbt.3943.html

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参考文献

1. I International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics. The World Sorghum and Millet Economies: Facts, Trends and Outlook. (ICRISAT, 1996).

2. V Varshney, R.K. et al. Nat. Biotechnol. 35, 969–976 (2017).

3. V Voss-Fels, K. & Snowdon, R.J. Plant Biotechnol. J. 14, 1086–1094 (2016).

4. Witek, K. et al. Nat. Biotechnol. 34, 656–660 (2016).

5. New Partnership for Africa’s Development (NEPAD). Comprehensive Africa Agriculture Development Programme. (NEPAD, 2003).

6. CYMMIT. Drought Tolerant Maize for Africa Seed Scaling. http://www.cimmyt.org/project-profile/drought-tolerant-maize-for-africa-seed-scaling-dtmass/ (CYMMIT, 2015).

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