從分子水平揭開黍稷“身世”之謎

“古道入秋漫黍稷，遠坡乘晚下牛羊。”黍稷是我國早期馴化的主要作物之一。近日中國農業科學院作物科學研究所研究員刁現民團隊構建了第一個黍稷高質量泛基因組和遺傳變異圖譜，系統性解析了黍稷品種資源的群體結構、起源演化歷史與基因組馴化特征。相關研究成果于2023年12月1日在《自然·遺傳學》發表，刁現民、中國科學院動物研究所研究員陳金鋒和中國農業科學院作物科學研究所副研究員湯沙為該論文共同通訊作者。《自然·遺傳學》審稿人認為：“論文意義重大，可以使我們在更廣泛的背景下理解禾本科植物的馴化。”

黍稷究竟是什么作物？“黍稷在華北平原叫黍子，在西北叫糜子。我們知道有大米、小米，還有大黃米，大黃米就是黍稷。實際上它是黍屬的一種作物，和谷子的親緣關系特別近。”刁現民說。

隨著水稻、小麥和玉米等主糧作物的興起，黍稷逐漸成為非主要農作物，主要種植于亞洲和歐洲的半干旱地區。近年來，隨著氣候環境的變化、農業可持續發展與糧食安全需求的提高，黍稷因其生長周期短、根系營養吸收能力強、需水量少、適應鹽堿脅迫環境等特點而受到廣泛關注。

“黍稷是一種抗逆的先鋒作物，也是穩產保收作物、災后補救作物，只要種下了，能出苗就有收成。在遇到干旱的時候，它會一直靜待，一旦有水馬上就會長得很快。”刁現民解釋說，“這和黍稷所具有的獨特的抗逆基因有關。和大多數的禾本科作物相比，黍稷的抗逆基因數量較多，抗逆性很好，水利用效率也是較高的。當然黍稷的營養價值也很豐富，各類蛋白質、脂肪含量在禾本科作物中也是非常突出的。”

然而，由于目前仍缺乏對黍稷品種資源群體遺傳結構、基因組變異、馴化和育種相關功能基因等的系統性基礎研究，黍稷育種和產業發展受到制約。

研究團隊在對來自全球的516份黍稷核心種質資源群體結構進行解析的基礎上，從頭組裝了32份高質量基因組，系統解析了黍稷馴化和改良過程中的基因組變異，并構建了首個黍稷泛基因組和迄今最為全面的黍稷高質量基因組變異圖譜。通過基因組變異特征及群體遺傳結構分析，研究明確了黍稷是中國單一起源的作物并闡明了其傳播途徑。

“團隊連續兩年，在14種環境下對該516份核心種質的43個重要農藝性狀進行精準鑒定，形成了包含903套數據的大規模表型數據庫。將基因組變異和表型數據關聯，發掘出139個與黍稷表型顯著關聯的重要性狀相關位點和524個黍稷馴化育種的選擇信號。研究同時對多個環境下的黍稷性狀進行了表型組分析，批量發掘了控制黍稷重要性狀的控制位點和基因，形成了一個黍稷分子育種的平臺。”刁現民說。

中國工程院院士張獻龍認為，該研究通過應用高質量泛基因組等前沿技術，首次從分子水平證明了黍稷是中國起源作物，并構建了黍稷的重要種質及基因資源快速挖掘平臺，為進一步提高我國作物種質資源的有效利用提供了新的思路和方法。這將有助于保障國家糧食安全，提高我國農業競爭力。