创新背景

燕麦是世界性栽培作物，谷粒可供磨面食用，或作饲料，营养价值高，富含脂肪、蛋白质与氨基酸、维生素与矿物质以及膳食纤维等营养成分。燕麦还具有降低胆固醇和血脂、调节血糖、改善便秘、控制体重等保健作用。

创新过程

瑞典隆德大学与来自5个国家20个机构的研究人员合作，测序表征了燕麦的整个基因组，对燕麦的遗传基因进行详细分析，为培育更优质健康的燕麦和开发更环保且可持续的燕麦中脂肪是提供可能，研究成果The mosaic oat genome gives insights into a uniquely healthy cereal crop发表在2022年5月18日出版的《自然》上。

燕麦基因组非常复杂，是一种异六倍体，意味着它有七条染色体中的六条染色体。与人类基因组相比，燕麦基因组是二倍体，因此每种染色体有两条染色体。燕麦染色体结构比其他谷物更复杂，有超过80000个基因必须正确分类。

研究人员表示，燕麦基因组与其他谷物相比非常“混乱”，很难将基因正确地放置在每条染色体中。绘制燕麦基因组图谱有助于进一步开发燕麦并增加对其有用特性的理解。

研究使用高质量的苜蓿及其二倍体和四倍体祖先的参考基因组。制作燕麦的额染色体尺度参考序列，包含21条假染色体，第一个原始序列由170亿个小DNA片段组成，大量的数据相当于整个燕麦基因组的270倍。然后研究人员将碎片需要放在更长的片段中，最终成为整个染色体。

研究使用自动注释管道预测燕麦基因组中的基因模型，由RNA测序（RNA-seq）和Iso-seq转录组数据，蛋白质同源性和从头预测辅助，产生了80608个高置信度蛋白质编码位点，83.5%显示至少一种条件下的转录证据。燕麦基因组的整体结构与麦类基因组相似，燕麦基因组频繁重排导致一个类似于马赛克的基因组结构。研究比对4种燕麦属植物的全基因组，通过共线性分析得到大量大规模的基因组重排，发现基因组重排影响共线区块在亚基因组内和亚基因组之间的顺序。研究在A. sativa中检测到7个大规模的基因组重排，并将其追溯到A、C和D亚基因组之间的8个易位事件，跨越了4.3%的基因组和约7.9%的高可信度基因，其中有两个易位事件是A. sativa所特有的。

为研究六倍体燕麦的同源基因表达差异，研究在三个燕麦亚基因组中定义了7726个具有1:1:1对应关系的同源基因三元组。6个组织转录组样本的平均表达值显示，C亚基因组基因的表达量为32.32%，略低于D和A亚基因组。研究考虑了6个同源表达种类，发现84.1%的祖先三联体表现出平衡表达，3.4%表现出单同源显性，12.6%表现出单同源抑制。分析结果表明，亚基因组间总体没有偏倚。

研究分析了糖基转移酶的纤维素合酶（GT2）和胼胝质合酶（GT48）基因家族，确定燕麦β-葡聚糖生物合成的遗传基础。β-葡聚糖是一种水溶性膳食纤维，具有降低胆固醇的作用，有利于预防心血管疾病。六倍体燕麦基因组编码纤维素合酶基因超家族的134个成员，CesA和CslF亚家族内的基因在种子发育的多个阶段中表达最多。研究表明，燕麦中高质量和高含量的β-葡聚糖而是由等位变异和转录因子驱动的。

研究揭示了燕麦基因组的镶嵌结构，追踪了燕麦多倍体化历史中的大规模基因组重组，并阐明了与燕麦基因组结构相关的育种障碍。通过绘制基因组图谱，研究人员可以更容易地确定哪个部分与某些特定属性相关联，使人们更容易理解如何在新的燕麦品种中挑选出理想的性状以及如何避免弱点。

燕麦与许多其他作物相比，必需氨基酸的比例更高。燕麦球蛋白占谷物蛋白质含量的75%-80%，其中燕麦蛋白约占10%-15%。通过分析燕麦种子中的麸质蛋白的醇溶蛋白，研究证明燕麦中编码乳糜泻表位的基因拷贝数、蛋白质序列中检测到的T细胞表位频率和其他高免疫原性蛋白质的出现率较低，这个结果进一步证明燕麦作为无麸质饮食的安全性。

创新价值

这项研究为开发具有更高产量，更好的气候适应能力，改善营养特性和增强可持续性的燕麦品种奠定了坚实的基础，燕麦基因组图谱还可以更快地将知识从其他作物转移到新的和改良的燕麦品种。