随着气候的变化，了解野生物种驯化的遗传学变得至关重要，这种遗传学已应用于植物育种和作物改良。Nature Biotechnology杂志在线发表了来自美国美国唐纳德丹佛斯植物科学中心Elizabeth A. Kellogg课题组题为“A genome resource for green millet Setaria viridis enables discovery of agronomically valuable loci”的研究论文。该研究公布了狗尾巴草的基因组，并测序了598种狗尾巴草品种基因组构建了泛基因组，并从中关联分析发现三个具有农学价值的基因座。
与C3植物相比，C4植物如玉米等作物的光合作用在炎热，干燥的条件下生产力最高，预计随着气候变化而变得更加普遍。因此，若能将C4光合途径整合到水稻等C3作物，将有望大幅提高水稻产量，解决由于人口增长带来的温饱问题。然而，目前常用的模式植物拟南芥和水稻都是C3植物，作为C4作物的模式植物时有很大的局限性，无法解决诸如C4光合代谢以及许多黍亚科特殊的基础问题。
狗尾巴草（S. viridis）是一种杂草，同时也是驯养的谷子（S. italica）的野生祖先，但是可以作为C4作物的模式植物，因为其具备以下几点：植物很小、二倍体、生命周期短（8-10周）、基因组较小（约500 Mb），并且具有自我相容性、单花序通常可产生数百个种子。可以进行遗传转化，并且实现了CRISPR–Cas9介导的基因突变。因此，这些功能使S. viridis能够用于研究C4植物光合作用机制、耐旱、细胞壁组成、花序和花序发育、叶片解剖、次生代谢、植物微生物群、铝耐性和防御反应。
在大多数狗尾草中，种子在成熟时就会脱落，被称为落粒性，这对于野生植物在自然生态系统中种子的传播至关重要，但是落粒性的丧失是谷类作物人工驯化过程中的一个关键事件。此外，由于落粒导致收割时的高损失，阻碍了某些当前作物（例如非洲饥饿米fonio【Nat Commu】非洲饥饿米的参考基因组公布！）的改良。因此，鉴定控制落粒的基因具有直接的农艺学益处。
该研究在美国范围内收集了598种狗尾巴草品种，并进行了深度重测序，生成了高质量的狗尾草泛基因组序列。并使用单核苷酸多态性（SNP）和存在缺失变异（PAV）分析了潜在的种群结构，发现了四个不同的亚群，所有这些亚群都在北美和欧亚大陆发现。
该研究进一步进行了全基因组关联研究（GWASs），并确定了先前未知的QTLs。该研究发现相对较少的基因座与环境GWAS中非生物环境的变化有关。但是，选择测试发现有许多基因处于选择状态，特别是GO和KEGG类别的基因，其中包括类黄酮和苯丙氨酸的其他衍生物的代谢，这可能表明其对生物环境的适应性。
此外，该研究鉴定了一个与种子落粒基因SvLes1，并使用CRISPR–Cas9验证了SvLes1的功能。研究表明，移码突变完全消除了基因功能，从而产生了不会落粒的植物。而在=驯化作物小米的直系同源基因被转座子突变变成SiLes1-TE等位基因。因此，通过CRISPR1工程化该等位基因SvLes1，可允许我们从祖先重新建立一个低落粒表型狗尾草等位基因，模仿谷子驯化的初始阶段。
此外，该研究还鉴定了一个与叶片角相关的基因liguleless2，该基因决定了叶片能吸收多少阳光，进而可以预测产量。该基因是已知基因的直系同源基因，已证明在玉米中，参与了叶片角的发育。
综上所述，该研究公布了高质量的S. viridis基因组，并构建了狗尾草的泛基因组，通过基因组的分析发现具有农学价值的基因座。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0681-2
文章来源“iPlants”公众号
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