不同玉米品种的比较基因组分析

生物通,2012-07-02

来自中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所韩斌研究员，以及黄学辉博士在最新一期（7月）Nature Genetics杂志上发表题为“A crop of maize variants”点评文章，探讨了近期关于不同玉米品种的大规模重测序，以及比较基因组分析的三项重要研究进展。

玉米是世界主要农作物之一，在很多国家被广为种植。玉米原产于中美洲，是一种喜温作物，生长期较长，需水量比高梁、谷子、大豆等旱粮作物要高，又分布很广，美国是世界上最大的玉米生产国，每年约出产2亿吨玉米，占世界总产量的40%以上。中国玉米产量居第二、巴西第三位。

作为一种重要的农作物，很早之前，科学家就希望能绘制出这种植物的基因组图谱，2009年终于成功测序得出了玉米基因组的草图。但草图的完成并不代表我们对于这种古老的农作物有了全面的认识，还需要更深入的探索。在这篇文章中，研究人员就对玉米基因组进行了迄今为止最全面的遗传学分析。

在第一项研究（Comparative population genomics of maize domestication and improvement）中，研究人员对75个玉米株系（包括野生玉米、美洲各地的传统品种和现代改良玉米品系）进行全基因组重测序，并对玉米驯化进行了全面的评估分析。

研究发现玉米在经过人工驯化之后又产生了新的遗传多样性，并推测这很有可能是由于野生近缘物种的基因渗入所导致的。研究人员发现了数百个具有强烈选择信号的基因，并推测这些基因可能在玉米的驯化过程中发挥着重要的作用。此外，研究数据还表明在玉米的驯化过程中，千百年前古代农民应用的人工驯化方法似乎比现代育种学家所使用的方法发挥了更大的作用。

第二项研究（Maize HapMap2 identifies extant variation from a genome in flux）则采用了一种复杂的群体遗传学模型来分析玉米基因组的复杂性，共鉴定了5500多万个遗传分子标记，同时发现染色体结构变异（SV）在玉米野生种和栽培种的基因组中是普遍存在的，并且推测这些结构变异与很多重要的农艺性状具有密切的关联。

研究人员发现虽然玉米在驯化过程中丢失了大量的多样性，但是在驯化后又形成新突变，增加了新的多样性。而且目前已发现数以百计的基因可能在从野生玉米驯化过程中发挥作用，并且这些基因对于现代育种似乎也很重要。最初驯化过程中的选择似乎比近代玉米育种中发生的选择强得多；现代杂种优势选育方法伴随出现了玉米基因表达的显著变化。

最后这篇文章（Genome-wide genetic changes during modern breeding of maize）则阐述了现代玉米育种过程中的发生的基因组遗传变化规律。

研究人员利用第二代测序技术对来自不同地域以及不同育种年代的278份玉米自交系基因组进行了系统地比较分析，阐述了现代玉米育种过程中的发生的基因组遗传变化规律。

研究发现玉米育种过程中涉及了上千个受选择的靶位点，其中包括编码蛋白的基因以及非编码调控区。同时发现在玉米育种过程中遗传多样性有所丢失，但群体中低频等位基因的不断累积，比例在不断增加。

研究人员通过分析四个具有系谱关系的中国自交系发现，育种过程中玉米基因组的同源区间能够产生广泛的遗传变异，而且这种变异非常迅速。研究还对这些变异类型（包括单碱基突变，插入缺失及基因拷贝数变异）的速率进行了准确的估算。