侯思宇　劉超　馬赟驍　任超　格桑拉毛　趙玥　王晨晨　甄曉溪

摘要：作為古老的馴化作物之一，谷子在中國(guó)北方的干旱和半干旱地區(qū)廣泛種植。谷子是重要的雜糧作物，其籽粒富含蛋白質(zhì)、糖類、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有C4 光合、小的二倍體基因組、抗逆、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。自2012 年谷子基因組測(cè)序項(xiàng)目完成以來(lái)，谷子已經(jīng)進(jìn)入了基因組學(xué)時(shí)代。谷子基因組學(xué)的發(fā)展可以分為3 個(gè)階段：結(jié)構(gòu)基因組、功能基因組、比較基因組。二代測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，使得基于測(cè)序的基因分型和全基因組關(guān)聯(lián)分析極大地推動(dòng)了谷子遺傳學(xué)的研究。在健康中國(guó)戰(zhàn)略的時(shí)代背景下，谷子已成為改善居民膳食結(jié)構(gòu)和推動(dòng)有機(jī)旱作高質(zhì)量發(fā)展的優(yōu)勢(shì)作物。近年來(lái)，谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈上升趨勢(shì)，但品種選育方面缺乏突破，不能滿足現(xiàn)代有機(jī)旱作需求，主要原因在于谷子育種仍然依托傳統(tǒng)育種手段。谷子基因組學(xué)的發(fā)展為分子育種奠定了基礎(chǔ)，文章綜述了谷子全基因組測(cè)序歷史與現(xiàn)狀、遺傳轉(zhuǎn)化體系的研究進(jìn)展以及基于谷子全基因組序列發(fā)掘基因資源取得的成果。谷子功能基因組學(xué)與傳統(tǒng)育種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合必將促進(jìn)高效、精準(zhǔn)谷子育種體系的構(gòu)建，加快突破性谷子品種的培育，滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和消費(fèi)者的需求。

關(guān)鍵詞：谷子；基因組；全基因組測(cè)序；遺傳轉(zhuǎn)化；基因挖掘

中圖分類號(hào)：S515 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002?2481（2024）01?0001?09

隨著2000 年世界上第一個(gè)測(cè)序完成的模式植物——擬南芥（Arabidopsis thaliana）全基因組序列的公布[1]，推動(dòng)了基于基因組學(xué)、分子生物學(xué)等相關(guān)技術(shù)開展的植物生長(zhǎng)發(fā)育、抗逆、抗病、養(yǎng)分利用等大量的模式植物功能基因組學(xué)研究[2]，同時(shí)也極大地促進(jìn)了作物科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，其中水稻（Oryzasativa）基因組學(xué)研究最為深入，2002 年水稻基因組測(cè)序完成[3]，利用多組學(xué)、全基因組關(guān)聯(lián)研究揭示了水稻養(yǎng)分利用、生物和非生物響應(yīng)、生殖發(fā)育等重要分子機(jī)制，同時(shí)高通量表型平臺(tái)、精確基因組編輯工具等新技術(shù)也廣泛應(yīng)用于水稻研究[4]。隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，基因組學(xué)研究在多種主糧和雜糧作物中迅速發(fā)展。

谷子（Setaria italica）起源于我國(guó)，是最早完成基因組測(cè)序的雜糧作物[5]。谷子基因組較小，且生育期短，具備模式植物的特點(diǎn)。同時(shí)，谷子作為C4植物，可以用于揭示C4 植物高光效、抗逆耐瘠薄的特殊機(jī)理[6]。近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家利用EMS 誘變獲得了株高和生育期與擬南芥極為接近的“模式化”谷子——xiaomi[7]，同時(shí)，基于110 份谷子種質(zhì)的高質(zhì)量泛基因組的完成[8]，為推動(dòng)谷子成為C4 模式植物、深入開展基因組學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文概述了自谷子基因組測(cè)序研究工作開展以來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家圍繞谷子開展的功能基因組學(xué)研究，包括谷子基因組的情況，以及利用谷子基因組開展的遺傳轉(zhuǎn)化體系的開發(fā)，調(diào)控特色營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累和抗逆性調(diào)控等重要功能基因的發(fā)掘工作，這既是對(duì)谷子分子水平研究的一次梳理，也是對(duì)谷子功能基因組學(xué)研究的未來(lái)研究方向的一次展望。

1 谷子全基因組測(cè)序歷史與現(xiàn)狀

華大基因與河北張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位的科研人員于2012 年利用全基因組鳥槍法結(jié)合二代測(cè)序技術(shù)對(duì)中國(guó)北方廣泛種植的谷子品系“ 張谷”進(jìn)行了全基因組測(cè)序和組裝，獲得了大小約為423 Mb（Contig N50 為25.4 kb，Scaffold N50 為1.0 Mb）的谷子全基因組序列圖譜[5]。通過(guò)基因組注釋和分析發(fā)現(xiàn)，重復(fù)序列約占整個(gè)基因組的46%，大約含有38 801 個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，其中有81% 可以被表達(dá)。研究人員通過(guò)谷子、水稻和高粱之間的共線性分析鑒定到了關(guān)鍵的染色體重組事件，明確了谷子9 條染色體是在3 次染色體重組事件后形成的（在谷子和水稻分化后2 次，谷子的2 號(hào)和9 號(hào)染色體分別由水稻的7 號(hào)和9 號(hào)，3 號(hào)和10 號(hào)染色體融合而成；在谷子和高粱分化后一次：谷子的3 號(hào)染色體由水稻的5 號(hào)和12 號(hào)染色體融合而成），為禾本科的進(jìn)化提供了見解。此外，研究人員使用Illumina GA II 平臺(tái)對(duì)谷子光熱敏的雄性不育系“A2”進(jìn)行了10×深度的重測(cè)序，并利用“張谷”和“A2”的F2 群體繪制了高密度的遺傳圖譜，將該圖譜與谷子基因組序列及后代表型等信息相結(jié)合定位到了一個(gè)谷子抗除草劑相關(guān)基因。

美國(guó)國(guó)家能源部所屬聯(lián)合基因組研究所的科研人員采用全基因組鳥槍法結(jié)合一代測(cè)序技術(shù)（Sanger 測(cè)序法）對(duì)谷子品種豫谷1 號(hào)進(jìn)行了全基因組測(cè)序和組裝，并與上述“張谷”基因組序列在同一期刊同時(shí)發(fā)表相關(guān)論文。他們獲得了大小約為400 Mb（Contig N50 為126.3 kb，Scaffold N50 為47.3 Mb）的谷子參考基因組[9]，覆蓋了谷子近80%的基因組，超過(guò)95% 的基因區(qū)域。為促進(jìn)基因表達(dá)分析，利用不同組織、不同發(fā)育時(shí)期的豫谷1 號(hào)的mRNA 序列生成了超過(guò)130 萬(wàn)個(gè)表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）文庫(kù)和超過(guò)5.8 億個(gè)RNA-Seq reads。同時(shí)，該研究還使用Illumina GA II 平臺(tái)對(duì)谷子的野生近緣種狗尾草A10 進(jìn)行了重測(cè)序，利用谷子自交系B100 和狗尾草A10 雜交后代構(gòu)建了重組自交系（RIL）群體，該RIL 群體具有992 個(gè)SNP 標(biāo)記。該研究確定了差異單核苷酸多態(tài)性密度、轉(zhuǎn)座子分布、小RNA 含量、染色體重排和偏分離區(qū)域，通過(guò)比較5 個(gè)已測(cè)序的禾本科植物基因組，研究了狗尾草屬的廣泛適應(yīng)性的遺傳基礎(chǔ)。

美國(guó)唐納德丹佛斯植物科學(xué)中心研究人員于2020 年使用PacBio 和Illumina HISeq 測(cè)序平臺(tái)更新了狗尾草A10.1 的參考基因組，完成了端粒到端粒的染色體組裝，獲得了大小為395.1 Mb 的高質(zhì)量參考基因組（2.0 版本）[10]。2.0 版本的狗尾草參考基因組的組裝質(zhì)量更高，Contig N50 為11.2 Mb，在9 條染色體上基因組組裝的完整性為99.95%，共注釋得到38 334 個(gè)編碼蛋白基因和14 125 個(gè)可供選擇的轉(zhuǎn)錄本。此外，該團(tuán)隊(duì)基于二代測(cè)序使用Illumina 2×150PE 文庫(kù)從頭組裝了598 份狗尾草高質(zhì)量基因組，構(gòu)建了狗尾草泛基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步利用高質(zhì)量基因組、泛基因組鑒定到一個(gè)調(diào)控狗尾草種子落粒性基因Sh1 并通過(guò)CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)對(duì)其功能進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也證實(shí)了該基因在谷子中也是影響落粒性的關(guān)鍵位點(diǎn)。同年，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)雜糧分子育種團(tuán)隊(duì)對(duì)名優(yōu)谷子品種晉谷21 號(hào)EMS 誘變獲得的超早熟谷子突變體xiaomi 構(gòu)建了功能基因組學(xué)研究體系。利用PacBio平臺(tái)和二代、三代基因測(cè)序技術(shù)對(duì)xiaomi 進(jìn)行了基因組測(cè)序和組裝，獲得了大小為429.94 Mb（Contig N50高達(dá)18.8 Mb，Scaffold N50為42.41 Mb）的高質(zhì)量參考基因組[7]。xiaomi 基因組序列中重復(fù)序列約占55.19%，根據(jù)從頭預(yù)測(cè)、同源基因預(yù)測(cè)以及Iso-seq 和RNA-seq 分析結(jié)果，共注釋到33 789 個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。xiaomi 基因組僅包含48 個(gè)Gap且組裝的錯(cuò)誤率約為0.001%，在覆蓋率、ContigN50 等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于張谷、豫谷1 號(hào)參考基因組。此外，該研究對(duì)迷你谷子xiaomi 不同發(fā)育階段的11 個(gè)組織進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，結(jié)合高質(zhì)量參考基因組，構(gòu)建了首個(gè)谷子全生育期動(dòng)態(tài)基因表達(dá)圖譜和谷子多組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅促進(jìn)了谷子功能基因組學(xué)的研究，還使得xiaomi 成為C4 植物功能研究的理想模型系統(tǒng)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所特色農(nóng)作物優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團(tuán)隊(duì)于2023 年建立了首個(gè)谷子圖形結(jié)構(gòu)泛基因組，在此基礎(chǔ)上鑒定了多個(gè)關(guān)鍵基因，展示了泛基因組無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)[8]。他們從1 844 份不同亞組、區(qū)域和生態(tài)型的谷子和狗尾草品系中選取了35 個(gè)谷子野生種、40 個(gè)農(nóng)家品種和35 個(gè)現(xiàn)代育成品種。利用PacBio、Illumina和Bionano 測(cè)序技術(shù)從頭組裝（de novo assembly）代表谷子和青狗尾草最廣泛的多樣性的110 份核心參考水平基因組。核心種質(zhì)包含了對(duì)谷子育種或研究作出重大貢獻(xiàn)的種質(zhì)，如選育骨干親本（60 日和矮88）、高食用和蒸煮品質(zhì)品種（晉谷21 號(hào)和黃金苗）、強(qiáng)耐旱性品種（中谷2 號(hào)）、廣泛的氣候適應(yīng)性品種（豫谷18 號(hào)），以及易于遺傳轉(zhuǎn)化用于基因功能分析的材料（Ci846），這些材料涵蓋了株型結(jié)構(gòu)、穗形和產(chǎn)量等性狀多樣性。這些材料包含了1 844 份狗尾草屬中85% 以上的單核苷酸多態(tài)性（SNP）變異。谷子泛基因組中包含73 528 個(gè)基因家族的全基因組。通過(guò)整合112 份谷子和青狗尾草泛基因組中的107 151 個(gè)插入、76 915 個(gè)缺失和363 個(gè)倒位變異，并將其整合到豫谷1 號(hào)參考基因組序列中，構(gòu)建了首個(gè)C4 作物的泛基因組。泛基因組為探索谷子群體進(jìn)化、馴化與改良、功能基因組學(xué)和廣泛的適應(yīng)性等基礎(chǔ)研究，及其農(nóng)藝學(xué)應(yīng)用方面提供了推動(dòng)力。利用泛基因組，鑒定了4 582 個(gè)與馴化相關(guān)、152 個(gè)與育種改良相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異，同時(shí)共鑒定出680 個(gè)在馴化改良過(guò)程中被持續(xù)選擇的基因；鑒定出有關(guān)落粒基因Sh1（855 bp 的缺失）和籽粒大小基因SiGW3（366 bp 的缺失）等多個(gè)結(jié)構(gòu)變異基因；確定了共1 084 個(gè)與表型顯著相關(guān)的位點(diǎn)。泛基因組為未來(lái)的谷子分子育種提供了新平臺(tái)，同時(shí)也為其他雜糧作物精準(zhǔn)育種選擇奠定了理論基礎(chǔ)。

2 谷子轉(zhuǎn)化體系的構(gòu)建

谷子是C4 作物，且基因組小、抗逆性強(qiáng)，具有成為禾本科功能基因組學(xué)模式作物的潛力，因此，近年來(lái)關(guān)于其轉(zhuǎn)化體系的研究得到了廣泛關(guān)注。

谷子遺傳轉(zhuǎn)化方法包括基因槍法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、PEG 介導(dǎo)法、超聲波介導(dǎo)法、花粉管通道法、子房注射法、基因編輯技術(shù)等?；诠肺膊萦鷤T導(dǎo)的成功，近些年來(lái)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法被應(yīng)用于谷子的遺傳轉(zhuǎn)化相關(guān)研究。早在20 世紀(jì)70 年代日本學(xué)者就開始了谷子的組培研究，后續(xù)各國(guó)學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更為深入的研究。2007 年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)LIU 等[11]探究了多種影響谷子遺傳轉(zhuǎn)化效率的因素，并確定了最優(yōu)的轉(zhuǎn)化條件，為農(nóng)桿菌侵染愈傷組織的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。2020 年山西農(nóng)業(yè)大學(xué)YANG 等[7]以迷你谷子突變體xiaomi 開發(fā)了高效的農(nóng)桿菌介導(dǎo)的谷子遺傳轉(zhuǎn)化方案，由于其生命周期短、植株小，與擬南芥相似，一年可以在培養(yǎng)室中生長(zhǎng)5～6 代，更有利于谷子功能基因組學(xué)的研究[7]。2020 年P(guān)RIYANKA 等[12]優(yōu)化了谷子簡(jiǎn)單有效的再生和轉(zhuǎn)化方案，同年，SANTOS 等[13]利用成熟干燥的種子作為外植體進(jìn)行農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化，大大提高了轉(zhuǎn)化率和再生率。大大提高了轉(zhuǎn)化率和再生率。2021 年楊瀾等[14] 利用基于農(nóng)桿菌介導(dǎo)的CRISPR/Cas9 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化谷子，胞嘧啶和腺嘌呤堿基編輯系統(tǒng)進(jìn)行單、多基因敲除和單堿基替換，創(chuàng)造了一種純合抗除草劑種質(zhì)。除愈傷組織外，2021 年楊瀾等[14]還建立了穩(wěn)定的谷子體外莖尖遺傳轉(zhuǎn)化體系。

青狗尾草是谷子的近緣野生種，二者核型基本相同、基因組大小相近，是研究谷子馴化、發(fā)掘基因資源的重要材料。2016 年SAHA 等[15]通過(guò)蘸穗法將目的基因成功整合到狗尾草基因組中，且在后代中成功表達(dá)。隨后，2017 年趙輝等[16]通過(guò)高效胚性愈傷誘導(dǎo)技術(shù)，大大提高了狗尾草的轉(zhuǎn)化效率。

谷子和狗尾草轉(zhuǎn)化體系的建立為谷子功能基因組學(xué)研究和遺傳改良奠定了基礎(chǔ)。

3 基于谷子全基因組序列發(fā)掘基因資源

3.1 基于參考基因組，利用轉(zhuǎn)錄組探究谷子基因表達(dá)模式與調(diào)控機(jī)制

隨著谷子參考基因組的公布發(fā)表，谷子重要性狀相關(guān)基因表達(dá)模式和調(diào)控機(jī)制的研究成果呈“井噴”式增長(zhǎng)。當(dāng)前轉(zhuǎn)錄組分析主要聚焦在谷子非生物和生物脅迫、穗發(fā)育、初級(jí)代謝和次生代謝物等機(jī)制解析方面。尤其在轉(zhuǎn)錄因子家族成員鑒定及表達(dá)模式方面已有大量的研究文獻(xiàn)。在谷子基因組中，鑒定出147 個(gè)NAC、122 個(gè)C2H2 類鋅指蛋白、225 個(gè)WD40 蛋白、209 個(gè)MYB、171 個(gè)AP/ERF、35 個(gè)Dof、47 個(gè)HD-zip、72 個(gè)MADS-box、39 個(gè)NF-Y 及37 個(gè)CCT，不同非生物脅迫（干旱、鹽、冷等）和激素（水楊酸、脫落酸、茉莉酸甲酯、乙烯等）處理?xiàng)l件下，上述轉(zhuǎn)錄因子家族成員多樣性的表達(dá)模式暗示了潛在的生物學(xué)功能分化，從中鑒定到一系列脅迫響應(yīng)特異的候選基因，如SiNAC128、SiAP2/ERF-069、SiAP2/ERF-103、SiAP2/ERF-120、SiNF-YA1、SiNF-YB8 和Si?MADS51 等[17-26]。谷子在低氮脅迫下，利用轉(zhuǎn)錄組分析找到75 個(gè)差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，其中Si?MYB3 基因能夠調(diào)控下游生長(zhǎng)素合成相關(guān)基因TAR2 表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)根系發(fā)育[27]。結(jié)合干旱脅迫的時(shí)序動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定出13 294 個(gè)響應(yīng)干旱脅迫基因，包括842 個(gè)晝夜節(jié)律基因，初步解析了干旱脅迫與晝夜節(jié)律交叉調(diào)控谷子發(fā)育的分子機(jī)制[28]。谷子籽粒灌漿期動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組揭示了11 399 個(gè)差異表達(dá)基因，包括902 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，涉及到淀粉合成、細(xì)胞壁活性、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及多胺代謝途徑[29]。此外，涉及到非生物脅迫響應(yīng)的73 個(gè)谷子谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶及331 個(gè)細(xì)胞色素P450 單加氧酶基因家族成員，也通過(guò)全基因組生物信息學(xué)及轉(zhuǎn)錄組分析，分別鑒定出37 個(gè)組織特異性表達(dá)和21 個(gè)響應(yīng)非生物脅迫的谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶基因家族成員，以及6 個(gè)細(xì)胞色素P450 單加氧酶基因表達(dá)水平響應(yīng)不同的除草劑處理（硝磺草酮、雙氟磺草胺、煙嘧磺隆、氟草定及拿普凈）[30-31]。叢枝菌根真菌定植顯著增強(qiáng)谷子籽粒產(chǎn)量，比較轉(zhuǎn)錄組分析揭示了超過(guò)2 000 個(gè)基因受到叢枝菌根真菌的誘導(dǎo)響應(yīng)，GO 富集分析表明大部分基因富集在氮同化和轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞壁重組和木質(zhì)化途徑[32]。低單寧谷子品種可以吸引紅蜘蛛取食，從而保護(hù)板栗樹免受蟲害，比較轉(zhuǎn)錄組揭示了335 個(gè)共有的差異表達(dá)基因，KEGG[33]富集發(fā)現(xiàn)PTAL、CCR 及POX 基因涉及到苯丙烷類合成途徑的單寧生物合成分支途徑，此外，預(yù)測(cè)了20 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，包括bHLH、WRKY、FAR1、ERF、C2H2 等參與調(diào)控單寧生物合成。板栗樹與谷子套種系統(tǒng)有效地提高園林土地利用率及增加其產(chǎn)量和品質(zhì)，遮蔭條件下不同基因型谷子轉(zhuǎn)錄組分析鑒定出9 個(gè)差異表達(dá)基因，功能注釋為HSP70-8、HsfA2、SPDS、SPMS 等基因涉及光系統(tǒng)和熱脅迫響應(yīng)途徑[34]。谷子紫葉基因型具有較高的脅迫容忍性，比較轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定出9 個(gè)差異表達(dá)基因與花青素合成相關(guān)，可作為分子育種的潛在功能標(biāo)記[35]。在黃米和白米谷子品種穗發(fā)育階段，基于比較轉(zhuǎn)錄組和類胡蘿卜素靶向代謝組聯(lián)合分析，構(gòu)建了基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，鑒定出54 個(gè)類胡蘿卜素代謝途徑相關(guān)基因及3 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同調(diào)節(jié)類胡蘿卜素代謝流[36]。聯(lián)合脂質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定出2 633 個(gè)脂質(zhì)分子，歸屬于13 種甘油磷脂、11 種甘油糖脂、4 種鞘脂類及脂肪酰和甾醇類，同時(shí)鑒定出9 個(gè)差異表達(dá)基因與甘油二脂代謝途徑相關(guān)[37]；谷子籽粒不飽和脂肪酸含量遠(yuǎn)大于飽和脂肪酸含量，152 個(gè)差異表達(dá)基因與脂肪酸代謝和植物甾醇合成相關(guān)[38]。禾生指梗霉是引起谷子白發(fā)病的一類真菌，其病害發(fā)生使晉谷21 號(hào)造成大量減產(chǎn)，轉(zhuǎn)錄組分析表明，禾生指梗霉侵染谷子后導(dǎo)致萜類生物合成酶（CPS 和KS）高表達(dá)，赤霉素、脫落酸及生長(zhǎng)素合成途徑相關(guān)基因表達(dá)量上調(diào)，初步揭示了內(nèi)源激素調(diào)控谷子白發(fā)病表型的分子機(jī)制[39]。環(huán)境CO2 濃度升高可提升谷子高光效、生物量及產(chǎn)量，轉(zhuǎn)錄組分析鑒定出一系列差異表達(dá)基因，涉及到細(xì)胞重組、莖段發(fā)育、氣孔導(dǎo)度、碳固定、糖酵解和糖異生途徑[40]。龍谷25 屬于低鉀脅迫敏感基因型，轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了1 982 個(gè)差異表達(dá)基因響應(yīng)低鉀脅迫，其中一個(gè)響應(yīng)低鉀脅迫的轉(zhuǎn)錄因子SiMYB3 功能分析表明，超表達(dá)擬南芥可促進(jìn)根系延長(zhǎng)及應(yīng)對(duì)鉀素缺乏能力[41]。在谷子noncoding RNA（Ln?cRNA、siRNAs、microRNA）測(cè)序分析方面，也初步明確了其種類、染色體分布特征、表達(dá)模式、共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)及谷物類保守進(jìn)化特征，預(yù)測(cè)了響應(yīng)干旱和脫水脅迫、水楊酸處理的noncoding RNA 及其調(diào)控的靶基因[42-47]。此外，利用基因組和轉(zhuǎn)錄組分析，還鑒定出一些重要的基因家族，如SWEET、SET-domain、HAT（Histone acetyltransferase） 、AATs（Amino acid transporters）和CDPKs（Calciumdependentprotein kinases）等，找到與產(chǎn)量、蛋白品質(zhì)、抗非生物脅迫及甲基化相關(guān)的一些候選基因[26，48-52]。

綜上所述，利用基因組和轉(zhuǎn)錄組分析，針對(duì)谷子的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)、生物脅迫與非生物脅迫及代謝調(diào)控相關(guān)的基因發(fā)掘方面已做了較為重要的創(chuàng)新性工作，但仍存在不同基因型不同處理所獲得的結(jié)果不盡相同，其相關(guān)共性的規(guī)律尚需進(jìn)一步總結(jié)歸納，挖掘的候選基因多數(shù)尚未驗(yàn)證其功能，需要在生信分析的基礎(chǔ)上，展開實(shí)質(zhì)性的基因功能驗(yàn)證和機(jī)理深度解析，為將來(lái)谷子分子育種提供可利用、主效和可靠的基因資源。

3.2 基于GWAS、轉(zhuǎn)錄組定位重要性狀基因

谷子作為起源于我國(guó)的重要糧食作物，隨著谷子基因組的公布，基于全基因組關(guān)聯(lián)分析、QTL 定位等手段，已有很多調(diào)控谷子重要性狀的關(guān)鍵基因或QTL 被發(fā)掘。JIA 等[53]基于全基因組重測(cè)序?qū)?16 份谷子材料的47 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，在5 個(gè)環(huán)境下共鑒定到512 個(gè)顯著關(guān)聯(lián)的SNP 位點(diǎn)；LI 等[54]基于312 個(gè)谷子材料的全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘到影響谷子高海拔適應(yīng)性的關(guān)鍵基因SiPRR37；VANDANA 等[55] 和LIU 等[56] 分別對(duì)142 個(gè)和407 個(gè)谷子品種的農(nóng)藝性狀及穗型性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘了大量的顯著關(guān)聯(lián)SNP。大規(guī)模mGWAS 研究也被報(bào)道?；趶V泛靶向代謝組學(xué)與GWAS 的協(xié)同分析，挖掘了控制谷子米色及類胡蘿卜素含量的關(guān)鍵基因SiPSY[57]。通過(guò)谷子泛基因組圖譜，鑒定了多個(gè)與谷子馴化及育種改良的染色體結(jié)構(gòu)變異及重要候選基因[8]。

除全基因組關(guān)聯(lián)分析外，基于遺傳作圖，谷子中也發(fā)現(xiàn)了多個(gè)重要QTL。DOUST 等[58] 通過(guò)QTL 分析在來(lái)源于谷子和青狗尾草的雙親群體中檢測(cè)到14 個(gè)與穗部性狀相關(guān)的QTL。在另外2 個(gè)QTL 定位研究中，也分別鑒定出12、32 個(gè)QTL 與穗部性狀相關(guān)，如PWP、GWP、TGW 等[59-60]。這些研究大部分是基于少量的多態(tài)性位點(diǎn)，并且很少有QTL 被鑒定。最近一項(xiàng)基于12 個(gè)環(huán)境的QTL 定位研究，確定了159 個(gè)與穗性狀相關(guān)的QTL，深化了對(duì)谷子穗部和產(chǎn)量形成的遺傳基礎(chǔ)的理解[61]。然而，基于雙親群體的QTL 結(jié)果嚴(yán)重依賴于群體和環(huán)境的遺傳背景，這極大地限制了這些QTL 在谷子育種計(jì)劃中的廣泛適應(yīng)性和穩(wěn)定性?？偟膩?lái)說(shuō)，盡管谷子上已有部分基因或QTL 被發(fā)掘，但是與小麥、水稻、玉米等大作物相比，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。進(jìn)一步充分發(fā)掘利用優(yōu)異種質(zhì)資源及其富含的基因資源是谷子現(xiàn)代化分子育種研究的基礎(chǔ)。

3.3 基于參考基因組對(duì)基因家族的鑒定

谷子參考基因組測(cè)序的完成對(duì)于谷子功能基因組的研究尤其是谷子基因家族的鑒定提供了便利，近年來(lái)涉及到抗逆脅迫、生長(zhǎng)發(fā)育、以及營(yíng)養(yǎng)吸收相關(guān)的基因家族相繼被報(bào)道，為谷子功能基因的深入研究提供了思路與參考。

3.3.1 調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的基因家族的分離與鑒定

MADS-box 基因家族部分成員參與谷子穗分生組織發(fā)育[62]；SPL 基因參與組織分化以及種子發(fā)育[63]；bHLH 轉(zhuǎn)錄因子（187 個(gè)家族成員）參與谷子根、莖、葉、花以及果實(shí)的發(fā)育調(diào)控[64-65]；AAT基因家族成員在谷子籽粒品質(zhì)形成過(guò)程中具有重要作用[49]；GRAS 基因家族成員調(diào)控谷子株高，并影響谷子的穗質(zhì)量[66]；GRF 基因家族傾向于在發(fā)芽的種子、芽、花蕾和嫩葉等活躍生長(zhǎng)和發(fā)育的組織中高表達(dá)，暗示其可能參與谷子生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控[67-70]；LBD 家族成員在谷子根系中特異表達(dá)[71]，CCT 轉(zhuǎn)錄因子（39 個(gè)成員）中有15 個(gè)SiCCT 基因與谷子抽穗期具有重要關(guān)系[72]。以上工作為谷子基因功能的深入研究提供了資源與參考。

3.3.2 參與谷子逆境脅迫的基因家族的分離與鑒定

參與谷子干旱、鹽堿以及低氮、低磷脅迫等非生物脅迫的基因家族相繼被報(bào)道。其中包括通過(guò)氧化各種脂質(zhì)參與植物的生理活動(dòng)的谷子脂氧合酶（LOXs）基因（12 個(gè)成員），調(diào)控脂肪酸和蠟質(zhì)的合成與積累的酮脂酰輔酶A 合酶（β-ketoacyl-CoAsynthase，KCS，33 個(gè)成員）[73]，LBD 轉(zhuǎn)錄因子（33 個(gè)家族成員）[71]，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Sugar transporter pro?teins，STPs）家族成員[74]，SPL（18 個(gè)家族成員）基因家族[75]，植物氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體（Amino acid trans?porter，AAT）[49]，組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HAT）基因[52]。另外，WRKY 轉(zhuǎn)錄因子[76]、MYB[20]、CCCH 類鋅指蛋白（27 個(gè)成員）[77] 以及GRF[78] 家族成員也參與谷子多種非生物脅迫響應(yīng)；ANK 家族基因成員參與低溫、干旱、鹽等脅迫響應(yīng)[79]；谷子APX家族成員受干旱脅迫和高氮誘導(dǎo)后，表達(dá)顯著上調(diào)[80]。

3.3.3 調(diào)控營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)運(yùn)吸收功能的基因家族的鑒定

參與谷子硒、葉酸等微量元素吸收以及氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的基因家族近年來(lái)也被報(bào)道，其中谷子SULTR 基因家族成員SiSUL?TRC3 可以提高植株轉(zhuǎn)運(yùn)SeO42-的能力[81]。FPGS基因家族的SiFPGS1-3、SiFPGS1-4、SiFPGS-2基因表達(dá)與谷子葉酸含量呈正相關(guān)[82]。Shaker K+通道基因家族參與植物鉀的攝取和分布[83]。ZIP 家族中的基因編碼轉(zhuǎn)錄本可以儲(chǔ)存和運(yùn)輸二價(jià)金屬微量營(yíng)養(yǎng)素，特別是鐵（Fe）和鋅（Zn）。NAC、bZIP和bHLH 是SiZIP 基因中存在的主要Fe 和Zn 響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子[84]。PHT1 家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在低磷脅迫下，可促進(jìn)植株對(duì)磷的吸收[85]。MYB-CC 基因已經(jīng)被證明可調(diào)控植物中磷酸鹽吸收[86]。NRT 基因家族由NRT1/PTR，NRT2 和NRT3 亞家族組成，其在硝酸鹽從土壤到植物的吸收和運(yùn)輸中起關(guān)鍵作用[87- 88]。

4 展望

2012 年全基因組測(cè)序的完成為谷子功能基因組學(xué)揭開了序幕，2023 年泛基因組的發(fā)布吹響了谷子分子育種的集結(jié)號(hào)。在豐富種質(zhì)資源的基礎(chǔ)上，谷子基因資源的發(fā)掘?qū)⒆呱峡燔嚨?，越?lái)越多的重要性狀相關(guān)基因及其功能將會(huì)被發(fā)現(xiàn)并用于分子育種，分子育種與傳統(tǒng)育種的緊密結(jié)合將極大地提升谷子育種效率，推動(dòng)突破性品種的培育。

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