基于二代测序的糜子育种群体基因组学研究

Broomcorn millet was one of the oldest crops in China, with its earliest cultivation that dated back to ~10,000 years ago. As one of the classical 'five grain' crops in China, the cultivation of broomcorn millet played an important role during the evolution of long Chinese history. However, the genetic resource of broomcorn millet is relatively lacking, which limited the genetic improvement of this important crop. In this study, we plan to resequence the genomes of 358 widely collected broomcorn millet accessions under a mean depth of 10x using Illumina sequencing, then constructed a high-density SNP map on the basis of published Longmi4 reference genome. The population structure, genetic diversity, linkage disequilibrium (LD) and genome selective signals of broomcorn millet are expected to be identified. Moreover, we plan to dissect the genetic architecture of complex traits, such as plant height, 1000 kernels weight and flowering time in broomcorn millet by using GWAS. Finally, a high-quality genome of wild broomcorn millet is going to be generated by combing Illumina and PacBio sequencing. The genomic resource generated in this study will benefit the molecular breeding and genetic improvement of broomcorn millet.

糜子是中国历史上最古老的作物之一，距今已有大约1万年的栽培历史。糜子作为我国传统的五谷作物，在中华农耕文明中具有举足轻重的地位。然而，糜子的遗传学研究相对匮乏，严重限制了其遗传改良的工作。本研究计划在已发表的高质量糜子参考基因组（陇糜4号）的基础上，对本实验室已收集的358份糜子材料进行平均10x的二代重测序，构建高密度的SNP单倍型图谱，进而分析糜子的群体结构、遗传多样性、连锁不平衡和基因组受选择区间等群体遗传学特征。在群体基因型数据的基础上，对糜子的重要农艺性状如株高、千粒重和开花期等进行全基因组关联分析，鉴定控制相关性状的潜在候选基因。同时，我们计划利用100x的二代测序结合PacBio三代测序，对一份野生糜子的基因组进行组装，并通过与栽培糜子的基因组比较鉴定糜子驯化过程中的重要遗传变异。本研究产生的相关基因组学和表型数据将有力助推糜子的分子育种和遗传改良。

糜子是起源于我国的古老作物，在我国已有上万年的栽培历史。糜子的基因组草图于2019年发表，对推动这一古老作物遗传基础的解析以及分子育种具有重要意义。然而，已发表的基因组存在大量未揭示的序列缺口，且在上千年育种过程中积累的糜子育种材料之间的遗传结构以及受到人工选择的信号并不清楚。在本研究中，我们首先利用PacBio HiFi测序技术对重要育种材料陇糜4号进行了基因组升级，获得了contig N50达到26.2 Mb的铂金级别质量的基因组。基于此高质量基因组，我们对糜子的两套亚基因组进行了精确区分，并发现糜子的亚基因组之间不存在基因表达的亚基因组偏好性。此外，通过比较基因组分析，我们推测糜子和另一黍族四倍体作物柳枝稷可能经历了两次独立的四倍化，而糜子的四倍化推测在两百万年前就已完成。基于此升级版本的基因组，我们将198份收集自全国各省分的糜子育种材料重测序数据进行了比对和变异鉴定，构建了包含260万SNPs和18万Indels的高质量变异图谱。对198份材料的群体结构分析发现糜和黍无法在遗传结构上进行有效区分，而通过主成分分析鉴定了88份非糯性和53份糯性的材料，二者的遗传多样性分别为0.62×10-3和0.28×10-3，仅为玉米遗传多样性的约十分之一，暗示着糜子的遗传四倍化给糜子的种群在近代造成了剧烈的遗传瓶颈。利用群体分化系数Fst对非糯性和糯性群体进行基因组扫描共鉴定了96个高度分化的位点，包含了50个跟淀粉、糖类代谢以及其它参与种群分化的相关基因。同时，利用Sweepfinder2进行现代育种过程的基因组扫描鉴定了约3%的包含了1415个基因的区间受到育种选择。本研究所建立的高质量参考基因组以及在群体分化和现代育种过程受选择的基因，将为利用高效的作物基因编辑体系验证候选基因功能，并进一步创建育种材料奠定了基础。