我校杂粮分子育种团队在《Nature Plants》发表谷子功能基因组学研究成果

8月31日，我校杂粮分子育种团队在国际植物领域顶级期刊Nature Plants（1区Top期刊，SCI影响因子13.256）发表了题为“A mini foxtail millet with an Arabidopsis-like life cycle as a C₄model system”论文。同期，Nature Plants刊发了中国科学院遗传与发育生物学研究所的余泓博士的News & Views点评文章，对该研究给予了高度评价。该论文将加速解密为什么“小米还是山西的好”，进而有助于高效精准培育优质谷子新品种。

Nature Plants刊发余泓博士的News & Views点评文章

我校杨致荣教授、中国农业科学院作物科学研究所的张皓珊博士和我校李旭凯副教授为论文共同第一作者，我校王兴春教授、韩渊怀教授和中国农业科学院作物科学研究所的隋毅副研究员为论文的共同通讯作者。美国普渡大学和英国诺丁汉大学等单位参与了部分研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山西省重点研发计划的资助。据悉，这是我省在Nature Plants以第一单位发表的首篇论文，也是近年来国际谷子研究领域发表的影响因子最高的论文。

论文作者（我校部分）实验基地合影

从左至右依次是高建华、王兴春、杨致荣、申慧敏、李旭凯、韩渊怀、侯思宇、张彬

谷子通常是5月播种，10月收获，一年一季，生长周期要5个月左右。对于科研人员而言，5个月的等待是一个漫长的过程。如果遇到自然灾害等不可控因素还可能导致实验失败，需要从头再来。因此，模式植物体系的建立对于科研来说意义重大。

“有一个成语叫作‘揠苗助长’我们都很熟悉，和农民一样，科研工作者也希望研究对象能够长得快一点。” 王兴春教授介绍说，遗传研究领域采用了“果蝇”，动物和医学研究领域采用了“小白鼠”，植物领域采用了“拟南芥”作为研究的平台。但随着科学研究的深入，人们发现利用双子叶拟南芥做研究无法解决禾本科特有的问题。之后，中国科学院院士钱前的研发团队建立了水稻模式植物体系“小薇”，它具有生长周期短、株型和生物量小、空间利用率高等优势，可以像拟南芥一样，在实验室内进行大规模种植和筛选。但模式植物拟南芥和水稻都是C₃植物，谷子、玉米、高粱这种高产作物属于C₄植物，C₃模式植物作为C₄禾谷类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。而此次，我们团队研究出的这个模式植物“xiaomi”，它的生育期只有2个月左右，株高仅30cm左右，与拟南芥和“小薇”的生育期和株高相当，适合室内大规模种植研究，大大缩短了C₄禾谷类作物科学研究的周期并能提供大量的研究材料。

模式植物拟南芥和xiaomi对比图

模式植物“xiaomi”的成功培育，便是此次论文发布的重要研究成果之一。

杂粮分子育种团队，由山西省高层次引进人才韩渊怀教授于2010年组建，主要从事杂粮功能基因组学、氮磷高效利用的分子调控网络、谷子优异品质形成的分子机制和谷子白发病抗性机制等研究。谷子起源于我国，抗旱、耐贫瘠，且具有丰富的营养。长期以来，谷子品种选育主要依靠传统育种方法，主要针对产量相关特征开展改良，对品质特征、抗逆性（如抗旱）的选择难度很大，严重影响谷子品质、抗逆育种。利用分子标记辅助育种可以高效、精准地开展品质及抗性等方面的育种，而分子育种的前提是明确控制相关性状的基因，这就需要通过功能基因组学的手段进行分析。开展功能基因组学需要基因组序列质量高、生育期短的模式材料，因此，利用超早熟谷子“xiaomi”模式体系可以帮助我们发掘谷子中控制品质、抗逆、耐贫瘠等特征的相关基因，进而利用这些基因的分子标记开展谷子分子育种，培育米色好、口感好、保健功能强、抗逆、水肥高效且适于机械化栽培的优质谷子品种。

“该论文将极大地促进我省谷子基础研究及谷子分子育种，从而提升山西小米品牌竞争力。同时，高水平的谷子研究将提升山西农谷国际影响、促进山西谷子等杂粮的国际化。”团队负责人韩渊怀教授介绍，此次论文发布的研究成果，是团队利用EMS诱变技术对山西省名优谷子晋谷21进行了诱变，从中筛选到超早熟突变体“xiaomi”。该成果还深入研究了谷子基因库。团队利用二代、三代基因测序技术对该超早熟材料进行了基因组测序和组装，获得了“xiaomi”高质量参考基因组，构建了全生育期基因表达图谱和谷子多组学数据库，更加明确基因表达的位置，不仅大大缩短育种进程，提高育种效率，而且大幅降低育种成本，培养出更多优良性状，是国际第一个比较全面的数据库，极大地方便了谷子功能基因组学研究，并且经过大量摸索和尝试，团队还建立起一套方便快捷、高效稳定的农杆菌介导的遗传转化体系，使得“xiaomi”成为C₄禾谷类研究的理想模式植物体系。该体系将会极大地促进谷子以及其他禾谷类作物的功能基因组研究，对于发掘禾谷类基因资源、C₄高光效研究以及分子育种具有重要的意义。

xiaomi表型分析图示

基因Si9g04830的表达模式图

农杆菌介导的xiaomi遗传转化流程图

余泓博士在News & Views点评文章中说，“以适于室内大规模栽培的超短生育期突变体‘xiaomi’为材料，建立了一个新的C₄植物模式体系。超短生育期的迷你突变体，加上参考基因组和一个高效的遗传转化方法，为解析C₄光合作用独特而有趣的生物学特性铺平了道路。”

水稻模式植物体系“小薇”研发团队的钱前院士对“xiaomi”有很高的评价。他说，“C₃的模式作物有小薇，C₄的又有了小米，希望‘小薇’和‘小米’共同筑起基础研究领域的新平台，为保障国家粮食安全做出应有的贡献。”“小薇”和“xiaomi”的存在，为科学家发掘控制作物产量与品质的基因、开展分子育种和促进高产优质作物新品种的选育提供了便利条件。

杂粮团队师生合影

山西农业大学杂粮分子育种团队（微信公众号mScience mCrop）由山西省高层次引进人才韩渊怀教授于2010年开始组建。现有成员26人，其中山西省高层次引进人才1人，山西省131领军人才1人，“三晋英才”拔尖骨干人才2人，“三晋英才”青年优秀人才8人，晋农新秀8人（图2）。团队主要从事杂粮功能基因组学、氮磷高效利用的分子调控网络、谷子优异品质形成的分子机制和谷子白发病抗性机制等研究。近年来，承担了国家自然科学基金项目15项，国家重点研发计划项目子课题5项；发表SCI论文33篇；育成华金早、华金矮和华金杂等系列谷子品系。（宣传统战部范晓峰/文 杂粮分子育种团队王兴春/供图）