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北农小豆团队:绘制高质量小豆基因组草图 开启小豆研究新时代
来源:北农新闻
发布时间:2015-11-26 15:25:06
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      “小豆在我们国家属于小作物,一直以来研究投入不足,从事研究的人员较少,而日本对于小豆的研究处于世界领先水平,韩国小豆研究投入较多。北京农学院一直支持小豆研究,著名小豆育种家金文林教授,是北农小豆研究的开启人,三十年来积累了较好的研究基础。这次小豆基因组项目,北农小豆团队、中国科学院遗传与发育生物学研究所、深圳华大基因和国际半干旱作物研究所的科学家们密切协作,共同努力,使得中国小豆研究取得突破,发布高质量小豆基因组草图,这是迄今世界小豆研究发表的最高水平研究论文,开启小豆研究的新时代,为比较基因组学研究提供丰富的数据资源,有助于研究豆科物种进化和驯化、解析豆类植物在长期进化过程中代谢差异形成的分子机制。

    北京农学院万平教授率领其团队在多年开展小豆遗传育种工作的基础上,联合中国科学院遗传与发育生物学研究所、华大基因研究院和国际半干旱作物研究所,历经两年多的攻关,率先完成小豆全基因组测序,绘制出高质量小豆基因组草图,解析了小豆籽粒淀粉和脂肪积累的分子机理,该研究成果已于10月12日在美国科学院院报PNAS杂志在线发表。

业精于勤——搞科研,吃苦是日常

一直以来,科学研究界对小豆的原产地存在争议,中国、韩国、日本等国家都通过大量的研究来证明自己是小豆的原产国,而相关的研究需要搜集各地的野生豆类资源,再进行相关实验。“采集野生小豆样本十分困难。我们的团队只有几个人,而野生小豆往往长在山里,那里交通不便只能步行,地势不平,条件十分艰苦。”万平教授告诉我们,“天气热,有时候甚至几天都不能洗澡,我们从2009年开始广泛采集中外野生小豆资源。”多年来,北农小豆研究团队收集了丰富的种质资源,这为小豆全基因组测序工作打下了坚实基础。

搞科研不比别的工作,相关领域的研究进度更新很快。“我们的研究是不能停下来的,没有寒暑假,工作经常忙到十二点,夏天杂交季节五点钟早起,前往实验基地做杂交。”这就是北农小豆研究团队的科研工作写照。

当别人在休息时,他们在实验室;当别人外出度假时,他们也许在实验基地,也许在采集野生小豆资源的路途中……

既来之,则安之——迷茫时,困境时,努力是最好的选择

万平教授是安徽农业大学农学硕士,之后又于南京农业大学获博士学位。谈到当初为什么报考农学专业,万平教授表示,这只是个偶然,“那时候我很喜欢文学,课余时间就去读文学名著、历史和哲学,报考农学并非出于兴趣。”与许多大学生一样,万教授对于自己的专业学习也曾有过迷茫,但她没有失去方向,而是选择脚踏实地,学好自己的专业。“‘既来之,则安之’,这是我一直奉行的原则,那时候,我想,等我毕业时总要对得起自己获得的学位,所以,我只是想努力地把专业学好,这才是最重要的。”毕业后,万平教授被分配到市种子站工作,但对这份早八晚五的工作并她不满意,于是开始准备考研,考取研究生后,万教授进入学校工作。“在学校工作一段时间后,我去参加一个国际遗传工程学术会议,那次出席会议的科研人员来自不同国家,大多都是博士,大家用英文交流,我突然意识到自己的不足,就这样,决定去考博士。”2000年,万教授考取了南京农业大学的博士学位,师从学风严谨的刘大钧院士。有了这份坚持,有了这份努力,万平教授开始了自己真正的科研之路。

而坚持与努力也是体现在北农小豆团队成员身上。2006年,万平加入了北农小豆研究团队,该团队在金文林教授的带领下从上世纪80年代以来在小豆研究领域中取得了令人瞩目的研究成果。即通过系统选育、杂交、原子能辐射处理技术相结合,育成了4个夏播优质红小豆京农系列品种,其蛋白质含量均超过25%以上,并具有高产、早熟、抗逆性强的特点,得到了国际红小豆专家和高端市场的高度认可。全国发表的小豆方面的研究论文85%以上出自于这个研究团队。金文林教授被日本同行誉为“中国小豆研究第一人”。金文林还构建了自育新品种的DNA指纹图谱,为保护我国小豆新品种权奠定了基础。2007年,金文林教授因病去世,年仅51岁,这对小豆研究团队是一个致命的打击。北农小豆研究也由此陷入了困境。“研究青黄不接,资金也不足。”万平教授回忆道,“我们经历了非常艰难的时期。”

“努力是最好的选择。”面对这种困境,小豆研究团队的成员们没有放弃,没有停滞,他们选择了坚持,选择努力。在金文林教授研究的基础上,小豆研究团队陆续收集了600多份中外栽培和野生小豆种质资源,继续进行小豆育种,先后育成审定京农21号、京农22号、京农23号和京农24号小豆新品种。尤其是中国野生小豆种质资源的收集上,团队取得了很大进展。“我们收集了1600多份中外小豆资源,同时,我们也进行了突变体库的构建,创制了1490份的突变体,”万平教授说,“这是进行基因定位克隆、功能基因组学和基因功能研究非常重要的基础材料。”

开始小豆基因组测序   

在小豆种质资源的收集和突变体库创制的基础上,万平带领北农小豆研究团队联合中国科学院遗传发育研究所、华大基因研究院和国际半干旱作物研究所等国内外研究机构开始了小豆全基因组的测序工作。

利用第二代测序技术,研究团队对小豆全基因组进行鸟枪法测序,获得了90.88 Gb有效序列,组装出了Scaffold N50为1.29 Mb的466.7Mb基因组序列,占小豆基因组(542 Mb)的86.11%。利用F2群体的基因组简化测序,构建了高分辨度SNP遗传图,并将372.9 Mb序列铆钉到了小豆相应染色体,组装出了高质量的小豆基因组框架图。基因组注释结果显示,44.51%的序列为重复序列,蛋白编码基因34,183个。 

“这是重要的基础研究,小豆基因组测序的完成,将促进小豆重要农艺性状基因的鉴定、克隆和分子育种,获得的基因组信息为比较基因组学研究提供丰富的数据资源,也有助于豆科物种进化和驯化关系研究,解析豆类植物在长期进化过程中代谢差异形成的分子机制。”万平教授表示。在对小豆进行全基因组测序的基础上,研究团队还对小豆和大豆籽粒淀粉和脂肪积累差异进行了解析。

“与其他豆类不同,小豆具有高淀粉、低油脂的特点。”万平教授解释道,“小豆中淀粉含量平均为57.06%,脂肪含量平均只有0.59%,相比之下,大豆的淀粉含量平均为25.3%,脂肪含量平均为22.5%。”  

一开始,研究人员猜想是不是基因数目导致了小豆和大豆间的这种差异,但是,系统分析了小豆和大豆基因组中淀粉和油脂合成代谢途径基因的组成和拷贝数,发现两物种中相关基因数量差异并不显着。

这条路寻因未果,研究人员转换了思路,通过测序籽粒不同发育时期的转录组,分析小豆和大豆淀粉和油脂合成代谢途径基因的表达水平。“结果发现,小豆和大豆籽粒淀粉和脂肪积累差异不是由淀粉和油脂合成相关基因数目变化引起,而是由这些基因的转录表达量所导致。”万平教授说,“这是研究中一个比较新颖的结论。”

同时,研究还发现,与已知豆科植物的基因组比较及共线性分析证实,小豆与菜豆亲缘关系最近,小豆的多条染色体的基因排列与菜豆染色体间存在很好的共线性。

对49份野生小豆、半野生小豆、农家品种和现代育成品种的重测序分析发现,小豆从野生种到栽培种驯化进程中有强的选择信号,并从基因组水平上证实半野生小豆与栽培小豆的关系近于野生小豆,推测半野生小豆是小豆驯化过程中的初始农家种。

在国际竞争中占一席之地  

事实上,小豆这种作物虽“小”,但是同领域的科研竞争却很激烈。

就在中国小豆研究团队紧锣密鼓地进行小豆全基因测序时,国际知名豆类科学家、韩国首尔大学教授Suk-Ha Lee带领的团队也展开了小豆基因组的研究。 

一场无声的比拼就此展开。“他们的研究实力非常强。”万平说,当得知韩国团队也在做同样的工作时,整个团队压力很大,“我们能做的就是保证质量和不断加快进度。”  

在此过程中,中国科学院遗传发育所、华大基因研究院的科研团队发挥了重要作用。“整个团队齐心协力、密切合作。” 团队最终向PNAS投出了论文,经过长达半年的等待,在补充实验材料、进行补充实验等工作的基础上,研究团队对论文进行了二次修改,论文于2015年10月12日发表。  

目前,小豆在世界三十多个国家种植,因其生育期短,适应性广,耐瘠薄,富含B族维生素、铁、钙等物质和萜类、异黄酮、皂苷等生物活性物质,具有祛热、解毒、消肿等药用功效,具有降血糖、降血脂、减肥和抗肿瘤作用。在改善膳食结构、调整种植业结构和耕作制度、资源节约型农业、固氮环保、发展出口创汇农业方面有着重要作用。

小豆全基因组测序的完成为比较基因组学提供了丰富的数据资源,为小豆基因的鉴定、克隆以及分子育种奠定了重要基础。

   “现在测得蛋白编码基因34183个,其中有功能的基因是2万多个,还有6800多个基因的功能仍未知,下一步我们将继续展开基因克隆、功能基因组学和分子育种的研究,培育小豆新品种,服务农业生产。”万平教授表示。

投身科研,教书育人——科研需要几代人的共同努力

在实验室,万平教授是一位科学家,在课堂上,她也是一位教师。由于进行研究,有时科研工作会与教学冲突,但是,她爱这个讲台,更希望能通过自己的教学工作,多为国家培养相关领域的专业型人才。“有些知识比较枯燥,有些学生会听不进去,作为老师,要尽量使课堂变得生动有趣,多与学生沟通互动,并注意培养他们的自学能力和动手能力。”万教授说道。

“科研永远不可能只是一代人的事情,需要积淀与沉下心的默默付出。”谈到现代大学生,万平教授说 “现在的大学生多独生子女,个性较强,需要加强培养沟通能力和团队合作精神。”希望他们在校时安心读书,少浮躁,养成良好的自学能力,踏实做事,持之以恒,与时俱进地更新知识,这样跟上时代的发展,未来才能担当大任。

 

万平,安徽农业大学硕士、南京农业大学获博士,现北京农学院教授,硕士生导师,主要研究方向:植物分子遗传与育种。长期从事植物遗传育种及分子遗传学的研究工作,在植物育种、基因定位、基因克隆与功能分析、基因组学研究方面积累了丰富的经验。参加过多项国家“863”、“973”重大研究项目,主持完成科研项目10项,在研项目2项。已在PNAS Proceedings of the National Academy of SciencesUSA)、Plant Molecular BiologyPlant DiseaseEuphytic、植物学报、遗传学报、中国农业科学、作物学报、Legume Genomics and GeneticsAfrican Journal of Biotechnology等国内外核心刊物上发表论文40多篇。主持育成小豆新品种4个。

 备注:该文内容来源于大学生记者采写和《中国科学报》,后经编辑而成。