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面食小麦的基因组装配为现代小麦育种带来了新的见解

来自莱布尼茨植物遗传与作物植物研究所(IPK Gatersleben)的科学家参与了使用3D构象捕获测序(Hi-C)方法进行基因组装配。由于测序的硬粒小麦基因组,研究人员能够解开其驯化历史,远远超过祖先的野生二粒小麦(Triticum turgidum ssp.dicoccoides))。通过访问完整基因组提供的信息已被用于获得关于重要谷物物种的遗传特性的新知识。通过比较emmer和硬粒小麦的基因组,在最近的作物植物中发现了突变,这导致收获的谷粒中不希望的重金属镉的积累。这一发现现在使植物育种者能够通过去除突变来选择性地培育现代硬粒小麦品种,以减少谷物和面食中的镉含量。

面食的生产需要非常粘稠的糯米粉,这可以通过使用谷物中具有高百分比的谷蛋白的小麦来满足。四倍体硬质小麦(Triticum turgidum L. ssp.durum),也称为面食小麦,生产具有理想蛋白质含量的谷物,用于制造美味的面食产品。因此,在面包小麦(Triticum aestivum)旁边,硬粒小麦被认为是最重要的小麦品种之一。

硬粒小麦起源于驯化的二粒小麦(Triticum turgidum ssp.dicoccum),这是硬粒小麦的第一个证据,其历史可以追溯到大约6500 - 7500年前。驯化的二粒小麦本身来自大约一万年前的近东肥沃新月的野生二粒小麦(Triticum turgidum ssp.dicoccoides)。硬粒小麦仅在1,500至2,000年前成为主要的作物。然而,随着现代硬粒小麦品种的连续选育和育种,现在被认为是人类驱动的四倍体小麦进化的重要里程碑。

由意大利主导的国际科学家合作组织现已对硬粒小麦品种“Svevo”的基因组进行了全面测序和组装。其四倍体基因组的大小为10.45千兆碱基对(Gbp),略小于六倍体面包小麦的15 Gbp大基因组,该基因组在一年前完全测序。作为硬粒小麦项目的一部分,Saib Milner博士,Axel Himmelbach博士,Martin Mascher博士和莱布尼茨植物遗传与作物植物研究所(IPK Gatersleben)的Nils Stein博士接受了微调。使用称为“Hi-C”的3D-染色体构象捕获测序方法进行基因组装配过程。该方法通过检测和分配基因组序列,可以精确绘制线性基因组序列,

利用完全组装的基因组,对“全球四倍体小麦收集”的1,856个样本进行了遗传多样性和选择标记的全球调查。由此产生的全基因四倍体小麦的全基因组遗传多样性分析使研究人员能够追溯硬粒小麦的遗传路径,同时回顾其在小麦基因组中数千年经验选择和育种的结果。因此,科学家们发现,在野生二粒小麦的驯化过程中,遗传多样性尤其明显减少,而随后对硬粒小麦地方品种进行适应,选择和繁殖,导致遗传多样性相对温和地降低。

通过“Svevo”与其野生祖先的直接比较,科学家在5B染色体上发现了一个突变,导致了TdHMA3-B1基因的两个等位基因。原始等位基因TdHMA3-B1a在emmer种质中被发现并编码了镉转运蛋白,其降低了谷粒中的镉含量。然而,突变的等位基因TdHMA3-B1b导致转运蛋白失败,导致现代作物植物中有毒重金属的含量更高。进一步的研究证明,这种不良特性在最近的硬粒小麦品种中很普遍。

由于发现了“高镉等位基因”,人们发现了一种迄今未知的特性,这种特性在现代硬粒小麦中无意中成熟。现在,这种知识使植物育种者能够系统地培育新的硬粒小麦品种,这些品种不再携带有缺陷的镉转运蛋白。对硬粒小麦驯化历史的理解及其对基因组的影响,展示了基因组分析在现代小麦育种中的有用性。基因组分析已成为鉴定有用等位基因的关键策略,支持育种工作,如降低毒性,但也提高粮食产量,质量或小麦恢复力。

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