IF 27.5重磅综述|植物群体重测序研究进展

DNA测序技术的进步引发了一场基因组学革命，推动了植物遗传学和作物育种方面的突破。近年来，研究的重点从植物遗传多样性转移到探索其功能意义和为作物改良提供有益的等位基因。全基因组重测序的应用促进了这种转化。

2023年7月25日，发表在Molecular Plant（IF=27.5）上的文章“Plant genome resequencing and populationgenomics: Current status and future prospects”，总结了植物基于群体的基因组重测序研究的进展以及这些研究对作物育种的影响。

全基因组重测序：

01、从模式生物到分类学多样性
随着DNA测序成本的持续降低，全基因组重测序项目迅速增长（图1A）。迄今为止，已报道了187种植物的基因组重测序（图1B）。最初，基因组重测序研究集中在具有小的二倍体基因组的模型植物和作物上，如番茄。然而，尽管对于更大和更复杂基因组的植物的重测序面临着更高的成本和更高的计算要求的这些局限性，在参考基因组序列完成后不久，就出现了对这类复杂基因组的植物的群体基因组研究，如2018年发表的六倍体小麦的参考基因组。随着测序成本的下降，以及更先进测序技术的发展，一些非主流作物的基因组和泛基因组也逐渐被构建，同时很多杂合子和多倍体物种的高质量参考基因组被陆续发表。

虽然已经建立了跨越陆地植物系统发育树的物种的参考基因组，但重测序研究更集中在少数几个目和科中（图1B和C）。在187个重测序物种中，广泛分布于35个目中的61个科，包括禾本科、豆科、十字花科和蔷薇科等（图1C）。基因组重测序研究的规模受到该物种的经济重要性的强烈影响，主要偏向于作物，特别是豆科和禾本科的作物。

图1 重测序植物群体的时间进展和系统发育分布

02、豆类和谷物的共同驯化

通过收集所有发表文章中测序个体的位置信息，作者发现样品采集地的分布总体符合瓦维洛夫所提出的八大作物起源中心，从163个国家共收集了54413份材料（图2A）。有趣的是，谷物和豆类植物的收集位置有明显的重叠（图2B），这意味着发生了共同驯化。通过分析种群的SNP数据集，可以推断出驯化中心和传播途径，研究结果表明，谷物和豆类作物的驯化过程往往是相互交织的。

图2 群体重测序用种质采集点的地理分布和环境背景

03、驯化过程中的基因选择

通过对野生和栽培群体的比较分析，可以检测驯化过程中的选择信号，并鉴定改良品种的基因。大约7.6%的玉米基因组在驯化过程中经历了选择，这些区域包括与开花、产量、氮代谢、种子萌发和赤霉素生物合成潜在相关的基因。豆科植物基因组的选择主要针对与豆荚开裂、种子大小、种子发育和萌发、胁迫反应和开花有关的基因。驯化过程中选择的基因是对作物进行进一步改良的目标，特别是因为它们与理想农艺性状的QTL一致重叠，其中一些已经在育种计划中经历了二次选择。然而，这些区域内的许多基因仍然缺乏功能特征，有待进一步研究。

04、基因组学对环境适应的反应

随着气候变化对农业的影响日益增加，迫切需要培育适应新的和更多变的气候的作物。跨越广泛栖息地的重测序数据集可以为理解基因组对变化的环境的反应提供有价值的见解。文章作者全面查询了上述163个国家中收集的这些样品采集地的温度、降水等气候信息（图2A），数据显示这些采集地的气候表现出了丰富的多样性，因此现有植物基因组重测序数据可以为植物环境适应性的系统研究提供宝贵的数据资源，将进一步促进对植物基因组对环境响应机理的研究。

05、基因组性状关联研究

DNA重测序的进展使在作物中快速发现SNP成为可能，有助于与各种重要性状相关的基因或位点的鉴定，从而提高了研究者对这些作物的了解，加速了它们的育种（图3）。通过全基因组关联研究（GWASs），已经确定了与特定性状相关的区域。除了与气候适应相关的位点外，一些基因组区域已被报道与田间性状相关，如NUE、产量成分和代谢物含量。

图3 在植物育种中的种群基因组学方法的示意图表示

06、基因组辅助育种

通过基因组重测序研究来鉴定基因组变异，为育种和作物改良提供了宝贵的资源。这些DNA序列变异可用于引入特定的等位基因，预测杂交性能，并设计更有效的育种策略。重测序数据有助于预测混合性能，例如，一个预测珍珠谷子产量的模型确定了170种有前途的杂交组合，其中11种显示出改进的性能，159种组合显示出未来改进的潜力。基因组的表观遗传变异可能导致大量的表型变化，长读长技术的应用可以识别表观遗传修饰的等位基因。这些新兴技术为植物种群研究带来了希望，尽管它们的大规模应用目前受到许多研究小组负担能力的限制。

总结

在这篇综述中，研究人员阐述了群体基因组重测序研究的现状以及其如何影响作物育种。这些重新测序的种质在全球范围内分布，为植物基因组学提供了全球视角。研究人员强调了在驯化过程中选择的或与农艺性状相关的基因，并建立了候选基因库以供未来的研究和应用。作者呼吁采取更加开放和协作的方法进行群体基因组学研究，促进数据共享。随着DNA测序成本的降低以及分析和计算技术的进步，植物基因组重测序研究的数量将继续增加。未来，随着研究规模的扩大和质量的提升，有望更深入地了解植物性状的遗传学和育种设计。

凌恩群体重测序育种项目

参考文献

Plant genome resequencing and population genomics: Current status and future prospects. Molecular Plant, 2023.