高清解码“多面手”芒草
山东农业大学实验基地的芒草。陈翠霞供图
长在荒地里的芒草是一种个高的野草。只管平平无奇不被人注意，但这种禾本科植物却是天下上最具开发潜力的木质纤维本质料作物，可以用来消费生物质燃料酒精。
克日，山东农业大学农学院传授陈翠霞课题组破译了染色体级别的五节芒参考基因组图谱，剖析了芒属植物基因提高汗青，展现了芒草中纤维素或半纤维素含量高的分子机制，为其种质使用和新品种创制提供了实际支持。干系后果在线公布于《天然—植物》。
半年三篇高水平论文聚焦芒属
从《天然—通讯》公布芒、南荻基因组，到《天然—植物》公布五节芒基因组，2020年10月尾至今的半年时间里，《天然》子刊先后公布3种芒属植物基因组研讨后果。封建家为何云云眷注芒属植物？
“芒属植物是最有潜力的生物动力作物。”五节芒基因组论文的通讯作者陈翠霞报告《中国封建报》，这类植物含有高比例木质纤维素，生长速率快、生物产量高、易繁衍、抗逆性强，可在荒草地、盐碱地、沼泽滩涂等边沿土地上莳植生长。
不仅云云，它用处广泛，可以固土保水、改良土壤、改良生态情况；作为可再生生物质质料，可转化为热能、电能、液体燃料等；还可用作畜禽饲草。
陈翠霞说，十余年前，受石油价格上增的影响，西欧兴旺国度纷繁投入多量资金研讨可再生动力，木质纤维素作物如芒草、柳枝稷等成为研讨重点。近期木质纤维素作物基因组后果频出，就是十多年来不中断研讨的成效。
实践上，中国事芒属植物紧张劈头地之一。在中国，芒属植物分布广泛，并具有丰厚的遗传多样性。陈翠霞说，正是我国丰厚的种质资源为他们的研讨事情奠基了坚固基本。
不外，“芒属植物自交不亲和，基因组巨大、高度杂合。这给其遗传学研讨带来了极大的困难和挑唆。”陈翠霞说，由于芒属植物基本都是野草，生物学、细胞学和遗传学特性的知识几乎为零，十多年来，他们对其的研讨可谓“白手发迹”。
“展现芒属植物基因组暗码，剖析其提高历程，关于了解其遗传学基本、快速好效使用及创制新种质具有紧张的实际意义和使用代价。”论文作者、山东农业大学传授张宪省说。
高粱、芒草、甘蔗来自同一先人
在物种提高历程中，基因组多倍化是植物提高和新物种产生的最紧张办法之一。“这一征象在高粱、芒草和甘蔗3种禾本科甘蔗亚族植物中取得了富裕体现。”陈翠霞说。
比年研讨发觉，芒属植物、高粱属植物和甘蔗属植物的基因组存在亲密的干系。芒属、甘蔗的协同先人与高粱的先人分化后，分散履历了单次和两次基因组愈加以及染色体重排，演变成了如今的芒属和甘蔗属植物。现在，高粱和甘蔗野生种“割手密”的基因组已被破译，但芒属植物不休缺乏高质量染色体级别的参考基因组。
论文第一作者、山东农业大学副传授张国斌报告《中国封建报》，他们对芒属植物代表性物种五节芒的基因组深邃度测序数据举行分析，盘算出其基因组轻重为2462.35 Mb，杂合度为1.89%，反复序列比例为73.42%。
思索到五节芒基因组的繁复度，他们综合使用了二代、三代、10x Genomics等测序办法，并经过Hi-C武艺挂载到五节芒的19条染色体上，先后用遗传图谱和BioNano数据等举行修正和验证，并举行基因正文和转座子正文等，组装取得染色体级别的高质量参考基因组。
课题组进一步推断出3个物种的具体提高干系和时间。芒草、甘蔗先人种与高粱先人种在约610万至550万年前产生分化，尔后芒草先人种与甘蔗先人种又在约460万至430万年前产生分化。
一方面，芒属植物在随后的400万年间产生了基因组多倍化和染色体重排。此中，“我们发觉，五节芒的8号染色体是由高粱先人种4号和7号染色体交融而来的，并找到了新交融染色体的着丝粒地点。”张国斌说，这表明了芒属植物基因组颠末一次愈加之后为什么是19条染色体，而不是20条染色体。
另一方面，甘蔗属植物维持其基本染色体条数为10的形态长达300万年支配，随后颠末一次染色体重排。约莫100万年前，甘蔗先人种一连颠末两次全基因组愈加，辅以稍微的染色体重排，成为今天的甘蔗野生种。
基因资源“多面手”
有专家以为，除了作为动力植物，芒草的高抗性另有约莫给同为禾本科的粮食作物如水稻和小麦等，带来丰厚的基因资源。五节芒就仿佛一个基因资源的“多面手”。
“我们判定了高粱、甘蔗和五节芒中纤维素合酶CesA/Csl家属基因。”陈翠霞说，芒草作为动力植物，人们使用的主要是其木质纤维素，因此研讨纤维素合酶十分必要。
经过比力不同生长时的五节芒，他们发觉，正在伸长的茎秆构造中纤维素合酶表达水平很高。而与芒属植物一切基因的表达量比拟，大局部CesA和局部Csl基因表达水平最高，这与芒属植物极高的纤维素或半纤维素含量切合合。
长时以来，陈翠霞课题组搜集了芒、荻、南荻、五节芒等国内多个芒属代表性物种及巨芒等外洋杂交种共75个种质资源，对它们举行二代全基因组重测序后发觉，芒属植物之间存在着广泛的种间杂交。
“芒草和甘蔗可以杂交告捷。”陈翠霞说，由于芒草是自交不亲和的，以是芒草属内可以完成种间杂交，乃至可以和亲缘干系近的作物产生跨属杂交。这为经过杂交培养出更精良的芒属、高粱属或甘蔗属植物品种提供了实际支持。
陈翠霞表明说，与芒草同属甘蔗亚族的高粱是国际上紧张的粮食作物，甘蔗是紧张的经济作物，芒草能与之杂交，就意味着其抗病、抗旱、抗涝、耐盐碱、耐瘠薄的特性很有约莫成为高粱和甘蔗育种的基因资源，乃至有约莫为水稻、小麦同等科粮食作物提供参考。
现在，他们在黄河三角洲盐碱地已展开了近8年的莳植实验，共莳植20多亩芒草实验质料，顺应性精良，体现出精良的耐盐性。“这关于盐碱地的脆弱生态规复、土壤改良和开发使用，致使粮食宁静和生态宁静意义深远。”陈翠霞说。李晨
泉源： 《中国封建报》
