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高粱驯化种有害突变少于野生“亲戚”
来源:中国科学报 发布时间:2021-02-05

大约9000年前人类驯化玉米时,一些育种方法导致了与野生近亲相比,玉米基因组中有害突变增加。现代育种则有助于纠正这种现象。

玉米和高粱都是禾本科的C4作物,有着相近的进化历史。一项新的比较研究旨在弄清在玉米中发现的这一模式是否也发生在高粱中。研究人员惊讶地发现,事实恰恰相反,高粱地方品种(早期驯化作物)的有害突变实际上比它们的野生“亲戚”减少了。

这项研究利用高通量测序数据,系统分析了高粱与玉米的比较基因组学,揭示了两个近缘物种在驯化历史中发生的进化差异,为两个物种的分子育种提供了重要的基础数据。相关成果近日发表于《自然—植物》。

论文通讯作者、美国康奈尔大学分子育种与遗传学教授Michael Gore说:“我们假设,与作物起源的野生亲本相比,驯化物种的有害突变负担更高。因为到目前为止,在作物方面所做的所有工作都表明这一点。但高粱并不遵循这种模式,这非常令人惊讶。”

研究小组分析了从499个高粱种质的全基因组重测序数据中鉴定出的约1300万个遗传变异,以及先前在1218个玉米种质中鉴定到的2500万个遗传变异,并对这两套遗传变异数据进行大规模比较分析。

结果发现,这两个物种的有害突变普遍存在于染色体着丝粒区域,以低等位基因频率的方式富集于非编码基因之中。研究者对比了高粱和玉米之间有害突变负担,发现与玉米相比,高粱的有害突变负担偏离了驯化成本假设。

玉米和高粱有着密切的进化史,但一个主要区别是,玉米的野生种和驯化种是异交体,高粱的驯化种是自交体。研究人员发现,高粱野生近缘种有更开放的“种子头”,有利于异交。但在高粱驯化过程中,持有这些花簇的圆锥花序变得更加紧密,从而提高了自交率。

“我们推测,圆锥花序形态的改变影响了高粱的有害突变模式。由此产生的自交的增加可能有助于在驯化后清除有害突变。”Gore表示。

有害突变可能对生物体的适应性产生负面影响。通过了解有害突变的历史过程与进化机制,育种人员可以更好地清除高粱作物的有害突变。“我们在高粱上学到的知识也可以应用到玉米上,反之亦然。”Gore说。


相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-00834-5


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