从分子水平揭开黍稷“身世”之谜

“古道入秋漫黍稷，远坡乘晚下牛羊。”黍稷是我国早期驯化的主要作物之一。近日中国农业科学院作物科学研究所研究员刁现民团队构建了第一个黍稷高质量泛基因组和遗传变异图谱，系统性解析了黍稷品种资源的群体结构、起源演化历史与基因组驯化特征。相关研究成果于2023年12月1日在《自然·遗传学》发表，刁现民、中国科学院动物研究所研究员陈金锋和中国农业科学院作物科学研究所副研究员汤沙为该论文共同通讯作者。《自然·遗传学》审稿人认为：“论文意义重大，可以使我们在更广泛的背景下理解禾本科植物的驯化。”

黍稷究竟是什么作物？“黍稷在华北平原叫黍子，在西北叫糜子。我们知道有大米、小米，还有大黄米，大黄米就是黍稷。实际上它是黍属的一种作物，和谷子的亲缘关系特别近。”刁现民说。

随着水稻、小麦和玉米等主粮作物的兴起，黍稷逐渐成为非主要农作物，主要种植于亚洲和欧洲的半干旱地区。近年来，随着气候环境的变化、农业可持续发展与粮食安全需求的提高，黍稷因其生长周期短、根系营养吸收能力强、需水量少、适应盐碱胁迫环境等特点而受到广泛关注。

“黍稷是一种抗逆的先锋作物，也是稳产保收作物、灾后补救作物，只要种下了，能出苗就有收成。在遇到干旱的时候，它会一直静待，一旦有水马上就会长得很快。”刁现民解释说，“这和黍稷所具有的独特的抗逆基因有关。和大多数的禾本科作物相比，黍稷的抗逆基因数量较多，抗逆性很好，水利用效率也是较高的。当然黍稷的营养价值也很丰富，各类蛋白质、脂肪含量在禾本科作物中也是非常突出的。”

然而，由于目前仍缺乏对黍稷品种资源群体遗传结构、基因组变异、驯化和育种相关功能基因等的系统性基础研究，黍稷育种和产业发展受到制约。

研究团队在对来自全球的516份黍稷核心种质资源群体结构进行解析的基础上，从头组装了32份高质量基因组，系统解析了黍稷驯化和改良过程中的基因组变异，并构建了首个黍稷泛基因组和迄今最为全面的黍稷高质量基因组变异图谱。通过基因组变异特征及群体遗传结构分析，研究明确了黍稷是中国单一起源的作物并阐明了其传播途径。

“团队连续两年，在14种环境下对该516份核心种质的43个重要农艺性状进行精准鉴定，形成了包含903套数据的大规模表型数据库。将基因组变异和表型数据关联，发掘出139个与黍稷表型显著关联的重要性状相关位点和524个黍稷驯化育种的选择信号。研究同时对多个环境下的黍稷性状进行了表型组分析，批量发掘了控制黍稷重要性状的控制位点和基因，形成了一个黍稷分子育种的平台。”刁现民说。

中国工程院院士张献龙认为，该研究通过应用高质量泛基因组等前沿技术，首次从分子水平证明了黍稷是中国起源作物，并构建了黍稷的重要种质及基因资源快速挖掘平台，为进一步提高我国作物种质资源的有效利用提供了新的思路和方法。这将有助于保障国家粮食安全，提高我国农业竞争力。