2022年6月24日，北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院鄧興旺實驗室何航團隊、隆平高科楊遠柱團隊與廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所周德貴副研究員在Plant Biotechnology Journal期刊在線發(fā)表了研究論文“The telomere-to-telomere gap-free genome of four rice parents reveals SV and PAV patterns in hybrid rice breeding”，該研究利用HiFi和Ultra-long測序結合的組裝策略，完成了湘陵628S、晶4155S、隆科638S與華占4個雜交水稻骨干親本無缺口參考基因組組裝，結合其余六個已發(fā)表的雜交水稻親本基因組，系統(tǒng)分析了結構變異在雜交育種過程中的分布和影響，發(fā)現(xiàn)結構變異在F1功能基因及轉錄雜種優(yōu)勢起著重要作用。該研究展示雜種優(yōu)勢和雜交育種研究已進入無缺口參考基因組水平。

 

1. 四個兩系雜交水稻骨干親本無缺口參考基因組構建

湘陵628S（XL628S）、隆科638S（LK638S）、晶4155S（J4155S）是隆平高科自主培育的骨干兩系不育系，華占（HZ）是中國水稻所與廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所共同培育的優(yōu)秀的兩系和三系骨干恢復系，與另一個廣泛推廣的恢復系五山絲苗(WSSM，R534)屬于同一家系（圖1A），隆平高科利用隆科638S、晶4155S和華占選配的超級稻品種隆兩優(yōu)華占和晶兩優(yōu)華占連續(xù)三年蟬聯(lián)我國雜交水稻品種推廣面積前三位，選配的隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534連續(xù)多年列我國雜交水稻品種推廣面積前十位。利用PacBio(HiFi)和Nanopore(Ultra-long)平臺進行三代測序后構建基因組，并通過新的組裝方法獲得無缺口基因組（圖1B）。通過對基因組進行準確性、完整性、連續(xù)性的評估，二代測序比對率為98.83%~99.66%，覆蓋度大于99.97%。BUSCO值為98.7%~98.9%，LAI值為24.02~24.89。每個基因組上都有著絲粒區(qū)和20到22個端粒，證明了基因組組裝的高質量（圖1C）。湘陵628S、隆科638S、晶4155S和華占無缺口參考基因組的構建，為其功能基因組研究和下一步分子設計育種研究奠定了基礎。

 

2.秈稻基因組結構變異在雜交水稻培育中的應用

     基于對以上四個雜交水稻骨干親本以及已發(fā)表的珍汕97(ZS97)、明恢63(MH63)、蜀恢498(R498)、五山絲苗(WSSM)、Y58S、9311的基因組，與日本晴(MSU)進行基因組比對，鑒定出不同水稻親本之間的結構變異。在日本晴和10個秈稻基因組之間鑒定出422,858-526,481個INDEL和56,817個非冗余的SV，包括52,943個PAV（圖1D）。在10個秈稻基因組中，共有2182個功能基因受到PAV的影響，其中565個為秈粳稻之間PAV，包括OsLBD37,SaM,OsMFT1,OsF3H，其余為秈稻內部PAV基因，而其中70個為某一秈稻基因組特有PAV基因，這部分基因可能是該雜交組合表現(xiàn)優(yōu)異的重要原因。

     本研究收集的10個秈稻骨干親本具有典型的代表性，包括2010年前栽培面積最大的著名雜交稻組合SY63(ZS97A/MH63)；2012-2016年推廣面積最大的超級雜交稻品種Y兩優(yōu)1號（Y58S/93-11）；2018-2020年中國推廣面積前三位的綠色超級雜交稻組合晶兩優(yōu)華占（J4155S/HZ），隆兩優(yōu)華占（LK638S/HZ）和晶兩優(yōu)534（J4155S/WSSM），以及推廣面積前十位的隆兩優(yōu)534（LK638S/WSSM）。分別有593-738個雙親互補PAV基因發(fā)生在6個組合中，其中只有46個基因被所有組合共同利用，三個時期的雜交組合中利用的互補基因存在顯著差異（圖1E）。轉錄水平雜種優(yōu)勢基因也在互補基因中顯著富集（圖1F,G）。本研究原始數(shù)據(jù)與基因組及變異相關數(shù)據(jù)均在國家基因組科學數(shù)據(jù)中心PRJCA008812 (BioProject)和Github (https://github.com/yilinZhang-bio/Four-rice-gap-free-genome) 公布。

 

圖1四個雜交水稻親本無缺口基因組及雜交育種中的PAVs

 

     北京大學博士生張宜林、隆平高科傅軍、王凱博士、北京大學博士后韓雪為論文共同第一作者，北京大學何航研究員、隆平高科楊遠柱研究員與廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所周德貴副研究員為論文共同通訊作者。北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院鄧興旺教授等對本研究提供了支持。本研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、湖南省科技創(chuàng)新計劃等重大項目的支持。