6月22日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水稻研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廣西大學(xué)、美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)等多所高校合作完成秈稻珍汕97和明恢63的無(wú)缺口（gap-free）參考基因組，系統(tǒng)分析了著絲粒結(jié)構(gòu)和位于11號(hào)染色體末端水稻抗性相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異區(qū)域。相關(guān)研究以“Two Gap-free Reference Genomes and a Global View of the Centromere Architecture in Rice”為題發(fā)表于Molecular Plant。

　　亞洲栽培稻主要分秈稻和粳稻兩大類(lèi)，其中，秈稻占全球水稻產(chǎn)量70%以上，且比粳稻具有更多遺傳多樣性。過(guò)去30年中，秈稻品種ZS97和MH63已成為水稻育種和基因組學(xué)重要模型系統(tǒng)，其雜交后代汕優(yōu)63（SY63）是我國(guó)迄今種植面積最廣的雜交水稻。本研究以ZS97和MH63為對(duì)象，采用高深度HiFi和CLR測(cè)序，結(jié)合多種組裝方法和策略，完成它們無(wú)缺口基因組的組裝解析，并對(duì)新的序列進(jìn)行了精確注釋?zhuān)瑸殛U明雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)理夯實(shí)了基礎(chǔ)。

 

　　通過(guò)比較兩個(gè)水稻基因組各條染色體上的變異區(qū)域，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在兩者在11號(hào)染色體長(zhǎng)臂末端存在大量結(jié)構(gòu)變異（SVs），MH63中存在一個(gè)820 kb擴(kuò)展區(qū)域（MH-E）和一個(gè)860 kb插入?yún)^(qū)域（MH-I），富含大量抗性相關(guān)基因。進(jìn)一步在15個(gè)高質(zhì)量水稻基因組中比較分析，發(fā)現(xiàn)它們均沒(méi)有同時(shí)含有完整的MH-E和MH-I區(qū)域，MH63的獨(dú)特基因組特征可部分地解釋其對(duì)水稻病害的優(yōu)良抗性。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)首次定位了水稻完整的著絲粒區(qū)域，發(fā)現(xiàn)ZS97和MH63不同染色體的著絲粒區(qū)長(zhǎng)度從0.6 Mb到1.8 Mb不等，差異很大。ZS97和MH63中著絲粒周邊區(qū)域（著絲粒特異組蛋白CenH3的ChIP-Seq信號(hào)富集區(qū)）分別含有395和539個(gè)non-TE基因，其中約41%的基因轉(zhuǎn)錄并在多個(gè)組織中表達(dá)，而富含CentO重復(fù)序列的區(qū)域non-TE基因轉(zhuǎn)錄比例極低，表明大多數(shù)活躍轉(zhuǎn)錄的基因位于著絲粒的周?chē)鷧^(qū)域。在ZS97和MH63著絲粒區(qū)域分別鑒定到40和25個(gè)在其他水稻基因組中沒(méi)有的基因，其中一些基因是這兩個(gè)基因組所特有的，而有些則是由于其他水稻參考基因組的組裝不完整而被遺漏的基因。CentO系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析表明，相同染色體之間比不同染色體之間的CentO相似性更高，支持CentO序列局部同質(zhì)化的重復(fù)擴(kuò)增事件模型。對(duì)著絲粒結(jié)構(gòu)和基因含量的詳細(xì)研究，尤其是對(duì)功能性著絲粒區(qū)的基因及其家族分析，將為解析雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)理提供更全面的基礎(chǔ)。

 

　　水稻是全世界主要主食之一，也是植物基因組學(xué)和育種的模型系統(tǒng)，是近20年前第一個(gè)測(cè)定基因組的作物。然而，迄今為止所有正式發(fā)表的高等生物參考基因組都包含缺口/缺失序列，我校水稻團(tuán)隊(duì)早在2020年底即在BioRxiv預(yù)印公布了兩個(gè)秈稻的無(wú)缺口參考基因組序列，填補(bǔ)了全球基因組學(xué)領(lǐng)域空白。此次正式見(jiàn)刊報(bào)道的成果是植物中首例無(wú)缺口參考基因組，不僅為全面解析水稻著絲粒的結(jié)構(gòu)和功能提供機(jī)會(huì)，促進(jìn)了解植物的基因組結(jié)構(gòu)和功能，而且對(duì)利用基因組育種手段培育21世紀(jì)農(nóng)業(yè)氣候適應(yīng)性品種具有長(zhǎng)期和持久影響。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)生宋佳明（現(xiàn)廣西大學(xué)預(yù)聘副教授）、博士研究生謝文召和王朔為共同第一作者，美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)Jesse Poland副教授、廣西大學(xué)陳玲玲教授和我校張建偉教授為論文共同通訊作者。水稻研究團(tuán)隊(duì)張啟發(fā)院士和美國(guó)亞利桑那大學(xué)Rod A. Wing教授參與項(xiàng)目指導(dǎo)。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金和我校作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物信息計(jì)算平臺(tái)的支持。

 

　　【英文摘要】

 

　　Rice （Oryza sativa）， a major staple throughout the world and a model system for plant genomics and breeding, was the first crop genome sequenced almost two decades ago. However, reference genomes of all higher organisms to date contain gaps and missing sequences. Here, we report, for the first time, the assembly and analyses of gap-free reference genome sequences of two elite O. sativa xian/indica rice varieties 'Zhenshan 97 （ZS97）‘ and 'Minghui 63 （MH63）' that are being used as a model system for studying heterosis and yield. Gap-free reference genomes provide the opportunity for a global view of the structure and function of centromeres. We show that all rice centromeric regions share conserved centromere-specific satellite motifs with different copy numbers and structures. In addition, the similarity of CentO repeats in the same chromosomes is higher than across chromosomes supporting a model of local expansion and homogenization. Both genomes had over 395 non-TE genes located in centromere regions, of which ～41% are actively transcribed. Two large structural variants at the end of chromosome 11 affected the copy number of resistance genes between the two genomes. The availability of the two gap-free genomes lays a solid foundation for further understanding genome structure and function in plants and breeding climate resilient varieties.

 

　　論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052（21）00230-6