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2022年7月7日 ， 山西农业大学杂粮种质创新与分子育种山西省重点实验室联合华中农业大学、北京工商大学、中国农业科学院作物科学研究所等单位完成了谷子代谢物驯化的遗传机制和抗炎效果研究 ， 该研究以“Multi-omics analyses of 398 foxtail millet accessions reveal genomic regions associated with domestication metabolite traits and anti-inflammatory effects”为题见刊植物学领域TOP期刊《Molecular Plant》 。 百迈客为该研究提供了全基因组重测序服务 。
研究背景谷子（Setaria italica）是由野生种狗尾草（Setaria viridis）驯化而来 ， 是中国北方一种古老的谷类作物 ， 已有11000年的栽培历史 。 谷子具有优良的耐旱性和较高的水分利用效率 ， 在干旱和半干旱地区 ， 尤其是中国和印度 ， 作为一种膳食主食广泛种植 。
与小麦和水稻等其他谷类作物相比 ， 谷子驯化的显著特点是脱壳后为黄色 。 大量地方品种和谷子变异种产生黄色籽粒 ， 其颜色主要是由于果皮、糊粉和胚乳中积累的类胡萝卜素和类黄酮 。 此外 ， 据《本草纲目》记载 ， 中国古人早就认识到谷子对消化系统有好处 ， 在中国北方 ， 小米粥不仅是一种食物 ， 而且还是一种“养胃”的食物 。 但是谷子的遗传变异与代谢物含量的遗传基础尚未明确 。 本研究中将结合重测序、转录组、代谢组等组学分析揭示谷子驯化选择中代谢物定向变化的遗传机制 。
材料方法全基因组重测序：398份不同地理来源的谷子（162份栽培种、198份地方品种和38份野生种狗尾草） ， 测序深度～11.95×；
代谢组：利用超高效液相色谱质谱(UPLC-MS-MS)联用技术 ， 对2018年（三个地点）和2019年（三个重复）收获的籽粒进行分析；
转录组：灌浆后期籽粒深度RNA-seq 。
研究结果1、多组学数据的收集与表征
作者首先对398份来自全国各地的谷子品种进行了全基因组重测序 ， 包括162份栽培种、198份地方品种和38份野生种狗尾草（图1A） ， 测序深度～11.95× 。 进化树和主成分（PCA）分析显示南方和北方谷子以及野生种狗尾草之间有明显的差异 。 但是 ， 在北方和南方的地方品种和栽培品种之间没有明显的区分（图1B） 。
为了探究不同谷子种质资源间代谢差异的程度 ， 作者利用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)对2018年和2019年收获的谷子籽粒代谢产物进行了定量分析 。 基于籽粒代谢产物图谱分析发现 ， 所有品种在PCA分析中分为三个主要的类群（图2A） ， 这与遗传标记之间的进化关系一致 。 其中 ， 野生种狗尾草中共鉴定得到1104种代谢产物 ， 总体含量明显低于谷子样品（图1C） 。
通过转录组深度测序（RNA-seq）分析灌浆后期籽粒转录组 ， 探讨基因表达与代谢产物水平和含量的关系 。 在RNA-seq数据中检测到24800个表达基因 ， 占注释基因的72.0% 。 通过加权相关网络分析 ， 确定了23个高度相关的共表达模块 。 将这些模块进行KEGG注释 ， 以确定其潜在的生物学功能 。 并确定了几种代谢模式 ， 例如 ， 类黄酮和类胡萝卜素生物合成在“蓝色”和“青色”模块中高度富集；脂肪酸代谢在“绿色”模块中富集；二萜类生物合成在“粉色”模块中富集 。
图1 398份谷子种质的系统发育分析和代谢积累
2、代谢物自然变异的遗传基础
为了揭示在谷子中检测到的代谢物性状变异的遗传结构 ， 作者使用TASSEL软件的混合线性模型（MLM）对所有398份谷子材料进行mGWAS分析（图1D） ， 并结合生物学和生物信息学的方法 ， 最终鉴定到与690个显著SNP相关的511个候选基因 ， 这些基因可能与代谢性状的变异有关 ， 这些分析提供了代谢组变异的遗传基础和潜在通路的功能见解 。
图2 基于代谢组的PCA分析和mGWAS分析
3、谷子驯化过程中的选择信号及颜色性状相关基因的鉴定
为了揭示谷子驯化的遗传基础 ， 作者鉴定了57个与主要农艺性状相关的受选择的基因组热点区域；通过对拟南芥、水稻同源基因的基因研究 ， 发现这些基因与籽粒产量、籽粒大小、株高、分蘖数、抽穗期、耐旱性、抗寒性、耐热性、类胡萝卜素含量、糖含量、叶绿素含量、光合能力和谷子颜色等主要农艺性状相关 。 其中PHYTOENE SYNTHASE1(PSY1;Si4g27520)基因位于一个受选择区域 ， 表明它很可能是一个驯化相关的关键基因（图3A） 。
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