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小豌豆,大谜题丨豌豆基因组高质量精细物理图谱成功绘制

核心提示:从前有一位王子,他一心想娶公主为妻,但王子却无法判断身边哪个姑娘才是真正的公主。有一天雨夜,城外来了一个自称是公主的女孩

从前有一位王子,他一心想娶公主为妻,但王子却无法判断身边哪个姑娘才是真正的公主。

有一天雨夜,城外来了一个自称是公主的女孩。为了测试她是不是真的公主,王后在20张床垫和20张羽绒被下放了一粒豌豆。女孩皮肤娇嫩,一晚上被豌豆硌得没有合眼。

王后心想,一粒小小的豌豆竟然硌得她睡不着觉,除了真正的公主,大概不会再有人有这么稚嫩的皮肤了。

童话里,

一粒小小的豌豆,

鉴定出了真正的公主。

那么在现实中,

豌豆给人们带来了怎样的奇迹呢?

今天小编来跟大家聊一聊豌豆。

豌豆是豆科、蝶形花亚科、野豌豆族、豌豆属一年生攀援草本,原产于亚洲西部、地中海等地区,是世界重要的栽培作物之一。豌豆的种子及嫩荚、嫩苗均可食用;种子中含淀粉、油脂,可作药用,有利尿、止泻之效;茎叶能清凉解暑,并作绿肥、饲料或燃料,在世界范围内有广泛种植。

豌豆在中国种植的历史,可追溯到2000多年前,主要种植在我国中部和东北地区。

春秋时期管仲《管子·戒》中记载:“北伐山戎 ,出冬葱与戎菽,布之天下。”文中的“戎菽”指的就是现在的豌豆。

时珍曰∶胡豆,豌豆也。其苗柔弱宛宛,故得豌名。种出胡戎,嫩时青色,老则斑麻,故有胡、戎、青斑、麻累诸名。

说起豌豆的历史,就不得不提著名的孟德尔豌豆杂交实验。

孟德尔豌豆杂交实验

孟德尔豌豆杂交实验是生物学实验的一种,把一种开紫花的豌豆种和一种开白花的豌豆种结合在一起,第一次结出来的豌豆开紫花,第二次紫白相间,第三次全白。

对此孟德尔认为,决定豌豆花色的物质一定是存在于细胞里的颗粒性的遗传单位,也就是具有稳定性的遗传因子。孟德尔设想,在身体细胞里,遗传因子是成双存在的;在生殖细胞里,遗传因子是成单存在的;在豌豆的根、茎、叶等身体细胞里,遗传因子是成双存在的。

豌豆花既具有雄蕊也具有雌蕊,是一种两性花,花蕾期就会完成自花传粉,也叫自交。由于避免了外来花粉的干扰,豌豆在自然状态下一般都是纯种,豌豆植株还具有多对易于区分的相对形状,例如高茎和矮茎、种子的圆粒与皱粒等,用豌豆做人工杂交实验结果既可靠又容易观察。

孟德尔取纯种高茎豌豆与纯种矮茎豌豆做亲本进行杂交,产生的子一代总是高茎的;而子一代自交,产生的子二代既有高茎,又有矮茎,这是为什么呢?

孟德尔把子一代显性出来的性状叫显性性状(如高茎),显而未现的形状叫隐性性状(如矮茎),后人则将子二代中同时出现显性性状和隐性性状的这种现象叫做性状分离。孟德尔对子二代进行数字统计,结果发现高矮茎的性状分离比接近3:1。敢于质疑的孟德尔在通过严谨推理,在两万多株豌豆杂交实验中,终于发现了基因的遗传规律。

孟德尔第一定律/分离定律:

在生物的体细胞中,控制同一性状的遗传因子成对存在,不相融合;在形成配子时,成对的遗传因子发生分离,分离后的遗传因子分别进入不同的配子中,随配子遗传给后代。

自孟德尔发现遗传定律以来,豌豆作为遗传研究的模式植物,受到了学界和公众的广泛关注。然而,豌豆基因组非常大,组装起来相当复杂,豌豆高质量基因组精细物理图谱的绘制工作一直困难重重,严重阻碍了豌豆的理论和应用研究。

高质量豌豆参考基因组和泛基因组解析

近日,中国农业科学院作物科学研究所特色农作物优异种质资源发掘与创新利用创新团队联合国内外多家合作单位,成功绘制了中国豌豆基因组高质量精细物理图谱,构建了栽培和野生豌豆泛基因组,解析了豌豆基因组进化特征、群体遗传结构,为揭示豌豆起源驯化,以及基因挖掘、种质创新、育种改良提供了宝贵资源及数据支撑。

该研究团队利用中国豌豆主栽品种“中豌6号”,基于多种先进测序技术,整合优化多种组装策略,提供了显著改进的豌豆高质量精细物理图谱和注释。中豌6号基因组组装大小约为3.8Gb,综合多种基因组组装评估方法,一致证明该基因组在复杂重复区域和转座子连续性、准确性和完整性方面都有优异表现。

研究人员还揭示了118个栽培和野生豌豆种质的基因组变异式样,解决了长期以来关于豌豆属物种划分的争议,证明了埃塞俄比亚豌豆是与野生豌豆和栽培豌豆不同的独立物种,为豌豆起源驯化提供了新的见解。研究分析鉴定出了25个与12个豌豆重要农艺性状相关的数量性状位点(QTLs),还发现了两个先前已知的控制粒型(圆粒/皱粒)和株高(高/矮)的孟德尔基因R和Le,以及一个与荚型(硬荚/软荚)相关的候选基因。

同时,研究构建了包含116个栽培和野生豌豆种质的泛基因组,聚类生成了112,776个泛基因簇,在豌豆属下不同物种之间显示出差异显著的存在/缺失变异(PAV)模式和功能富集,其中,野生豌豆和埃塞俄比亚豌豆中特有的泛基因显示出明显不同的功能富集,表明它们在未来作为豌豆育种资源的重要潜力。

该成果的发表恰逢孟德尔诞辰200周年,豌豆高质量参考基因组和泛基因组的发布,拓宽了我们对豌豆巨大基因组背后遗传学的了解,为豌豆种质资源和育种改良研究提供了宝贵的基因组资源。

农业的发展,绝非一朝一夕之功。我们为辛勤付出的科研人员们点赞!

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