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读懂糜子的“初心”

来源:《中国科学报》 编辑:何静  时间:2019年2月25日 浏览:403 次

全球水资源危机日益严重,为了人类未来的粮食安全保障,研究高效节水作物已经成为科学家的重要任务。日前,中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心研究员张蘅和朱健康团队首次构建了禾本科作物糜子的基因组精细图谱,为该作物的分子育种和功能基因组学研究奠定了基础。同时,该研究揭示了糜子的进化历程及其特殊的C4光合作用模型。相关成果近日发表在《自然—通讯》上。


糜子的前世今生:从主粮到杂粮


糜子,又称黍、稷,籽粒去皮后即为俗称的“黄米”。糜子是生产单位重量籽粒需水量最低的禾谷类粮食作物。它是人类最早驯化利用的作物之一,其种植历史最早可追溯到公元前8000至公元前6000年的黄土高原。直到公元前1000年,糜子仍是我国北方地区的主粮之一,并通过游牧民族广泛传播至亚欧大陆的其他区域。


如今,糜子已经不再是“主粮”。张蘅告诉记者,近几十年糜子的种植量一直在下降,它在西方被称为“lost crop”或者“orphan crop”。显然,用“失落”和“孤儿”来描述当前糜子在粮食家族里的角色地位,再准确不过了。


随着全球水资源危机日益严重,越来越多的科学家致力于对以糜子为代表的节水、低耗性能的杂粮作物研究,以期提高其产量,助力人类未来的粮食安全保障。


全基因组精细图谱:糜子的初心


为了读懂糜子,了解它的“初心”,科研人员结合全基因组三代PacBio测序、二代Illumina测序以及高密度遗传连锁图谱构建技术获得了糜子基因组18条染色体精细图谱,并注释出了55930个蛋白编码基因和339个microRNA基因。研究发现,99.3%的基因定位在染色体上。专家认为,糜子全基因组图谱质量很高,为作物抗逆机理和抗逆育种等研究提供了可贵的参考依据。


与此同时,研究人员初步发现了糜子环境适应性的分子机制。糜子基因组起源于两个亲本基因组的一次融合,而那次“邂逅”距今约560万年。


研究表明,E3泛素连接酶亚家族在黍族植物中特异性扩增,或在糜子的进化中发挥了重要作用。张蘅告诉记者, E3泛素连接酶有调控蛋白质稳定性功能,而这个功能可能对作物克服高温、少水等恶劣环境有重要的帮助,这个研究结果有利于进一步研究糜子抗逆生存的机理和进化史。


C4光合作用模型:朋友多了路好走


光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢,对生物的进化具有重要作用。研究人员通过比较基因组和转录组分析发现,糜子基因组中与光合作用NADP-ME型和NAD-ME型两种亚型相关的酶和转运蛋白不但同时存在,而且可在光合作用组织中维持较高表达水平,这表明C4光合作用途径的三种亚型可能同时存在于糜子中。


那么两种或是三种亚型的存在对糜子而言意味着什么呢?专家认为,这为C4光合作用研究提供了一种新的思路。张蘅表示,因为不同亚型适用于不同的内外环境,因而这些机制可能有助于糜子更好地应对外界环境。对糜子而言,这无疑是一种“聪明”的选择,因为要勇敢地直面各种逆境,探索适者生存之路。人们常说“朋友多了路好走”,对植物而言,或许也是如此。而这些机制的发现,也有助于更好地研究杂粮作物应对田间环境的动态变化。


对于团队未来的研究设想,朱健康表示,中心有个理念“绿之梦”,希翼在全球气候变化加剧的情势下,植物仍然能够适应干旱、盐碱、高温、低温等不利于植物生长的环境,并保持很好的产量、质量。团队成员就是怀着这个梦想在不断研究和探索。

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