多组学助力研究种质资源研究思路

多组学助力研究种质资源研究思路国自然热点2023年度生命科学部共接收重点项目申请740项，受理738项，资助110项，平均资助强度约为220万/项。2024国自然申请集中接收工作即将开始，生命科学部设立的重点项目立项领域增至47项。下表比较了部分2023年与2024年重点项目立项领域，林学与草学（C16）、畜牧学（C17）和兽医学（C18）没有调整，植物学、动物学等有所调整，在多样性的基础上，重要活性、重要性状等信息更加突出。表12023年与2024年生命科学部重点项目立项领域（部分）比较注意：表中保留国自然基金申请代码涵盖C02（植物学）、C04（动物学）、C13（农学基础与作物学）、C14（植物保护学）、C15（园艺学与植物营养学）、C16（林学与草学）、C17（畜牧学）、C18（兽医学）、C19（水产学）。具体以国家自然科学基金委员会官网信息为准。此外，我国已完成新中国成立以来规模最大、覆盖范围最广的全国农业种质资源普查，普查新收集的种质资源将全部收入国家农业种质资源库。新华社近期陆续也报道了云南（盈江虾脊兰）、重庆（巫溪马铃苣苔）等地在植物资源调查时发现新物种。农业资源普查研究以及优良基因的挖掘工作已成为国内外研究的热点之一。后续我们也会陆续整理作物、园艺、林草、畜禽、水产、蜂蚕等方向的经典研究案例思路。种质资源种质资源是育种创新的基础。在加强种质资源保护的基础上，应积极推动种质资源鉴定评价和创新利用。结合发表文献，我们整理了种质资源鉴定与保护的技术路线（图1），主要涵盖核心种质筛选、指纹图谱、家系鉴定等组学研究方法。利用这些研究方法，可以帮助研究人员深化农业资源普查，在基因层面厘清物种遗传特征、多样性与亲缘关系。图1种质资源遗传特征分析技术路线图经典案例1—指纹图谱：BMCPlantBiology：329个花椰菜品种SNP指纹图谱数据库的构建及群体遗传分析花椰菜（Brassicaoleraceavar.botrytis）是全世界最重要的种植蔬菜作物之一。遗传多样性信息和有效的分子标记缺乏阻碍着花椰菜的品种改良。本研究旨在基于SNP标记和KASP系统构建329个花椰菜品种的DNA指纹图谱。基于KASP基因分型数据，对329个品种进行了系统发育分析和群体结构分析，生成329个品种的指纹图谱和包含每个样本遗传信息的二维条形码。本研究建立的指纹图谱数据库为花椰菜种子的真伪和纯度鉴定提供了实用工具，并为现有花椰菜品种提供了有价值的遗传信息。Name:DongyaxuesongSource:ChinaFingerprintcode:C|C:C|T:A|A:A|T:C|T:G|T:A|C:T|A:G|A:G|A:T|A:C|C:A|T:T|T:T|T:C|C:G|C:A|A:C|T:G|C:C|C:G|C:T|C:G|G:G|C:G|T:T|T:G|A:T|T:C|C:G|G:C|T:A|A:A|T:G|C:A|A:A|A:A|A:C|A:T|C:T|C(二维码自动识别)经典案例2—核心种质NatureCommunications：饭豆地方品种的基因组组装及重测序分析揭示适应性和产量相关位点饭豆（Vignaumbellata）具有高产、高抗病虫、耐逆性好等优势。饭豆遗传多样性信息的匮乏阻碍了其重要性状的遗传解析和优异基因的挖掘利用。本研究组装了饭豆（FF25）的高质量基因组（525.6Mb），并解析其进化地位。同时，对440份地方品种进行全基因组重测序，通过群体结构分析获取群体遗传多样性和遗传结构信息；通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定出多个与产量、花期、籽粒大小等重要性状相关的主效位点和候选基因；本研究为饭豆进化分析、种质创新和育种改良等奠定了基础。分析技术路线及结果展示优良基因挖掘挖掘优异种质资源方面，夯实育种创新资源基础。国家自然科学基金委员会刚刚发布的2023年度“中国科学十大进展”中，“农作物耐盐碱机制解析及应用”上榜。其余上榜研究包括揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制、新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵、揭示人类细胞DNA复制起始新机制等。优良基因的挖掘工作为农业资源的利用、品质提升和抗逆性改良提供基础支持。结合文献报道，我们精心整理了优良基因挖掘的技术路线（图2），主要采用性状定位结合基因验证的多组学研究范式，获取关键基因区域并解析其调控机制。图2重要性状关联基因挖掘技术路线图经典案例1——GWAS+IP-MS+过表达+基因编辑：Science：Gγ蛋白调节作物对碱性的敏感性据联合国粮农组织数据，全球有超过10亿公顷的盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被利用。盐渍化土地分为中性盐地（富含氯化钠和硫酸钠）和苏打盐碱地（富含碳酸钠和碳酸氢钠）。其中盐碱化土约占盐渍化土壤的60%。尽管学术界对于植物耐盐性有较深入认知，但对植物耐碱胁迫的认识严重不足，这阻碍了耐盐碱作物的培育。本研究对352个代表性高粱种质资源进行全基因组测序，通过全基因组关联研究（GWAS）分析检测到一个主效基因AT1，（Alkalinetolerance1），与碱耐受性有关。AT1编码一种非典型G蛋白γ亚基（与水稻GS3同源），通过调节环境胁迫下过氧化氢（H2O2）的外排来缓解碱胁迫对植物的危害。研究还发现在水稻、玉米及小作物谷子等主要粮食作物中AT1调控机制是类似的，为主要作物的耐盐碱分子育种奠定了理论基础。分析技术路线及结果展示经典案例2——BSR性状定位+转录组+代谢组：NatureCommunications：多组学鉴定茶树中参与儿茶素O-甲基化合成的两种甲基转移酶O-甲基化儿茶素是一类在少数茶叶品种中以低水平存在的衍生物，具有较高的生物利用度。本研究鉴定了参与茶叶中O-甲基化儿茶素生物合成的两种O-甲基转移酶（OMT）并进一步研究了CsFAOMT1和CsFAOMT2在不同茶叶组织和种质中的表达水平与相应O-甲基化儿茶素含量之间的关系，进一步揭示了结构特征和催化机制。分析技术路线及结果展示经典案例3—基因组组装+定位+代谢组+基因编辑：NatureFood：多组学推进彩色大米农艺性状改良彩色大米（OryzasativaL.）营养丰富，可以提供天然色素。但通常具有生命周期长和低生产力等缺点。本研究组装了3个黑米和2个红米水稻品种的基因组，并通过对另外46个品种进行重测序来评估51个色素水稻品种之间的遗传变异。代谢组学和离子组学