家养动植物基因组进化的特征和机制

1、家养动植物基因组进化的特征和机制提名奖种： 自然科学奖二等奖提名者： 云南省 提名意见： 家养动植物是人类社会赖以生存和发展的重要基础，是人工选择的结果， 然而人们对家养条件下动植物快速变异的遗传机制仍知之甚少。该项目在国家 973 项目及云南省科技厅相关科技计划的资助下，以家养的水稻、家蚕、山羊 及绵羊等动植物为对象，在家养动植物基因组进化的特征和机制研究中取得重 要研究成果：从基因组变异角度揭示了水稻驯化特征及独立起源事件；首次发现旱稻陆 生适应性的遗传机制；提供了当时最为全面的水稻基因组多态性数据及基因资 源；创新性的建立了研究人工选择机制的理论技术方法，包括多样性降低（ROD）和优良品

2、种标签位点（ETAS）分析方法；首次从全基因组单碱基水平， 刻画了水稻、家蚕的表观遗传组学特征，并发掘出在驯化过程可能受人工选择 的基因位点；家蚕甲基化组研究澄清了长期以来对昆虫 DNA 甲基化的模糊认 识，开创了昆虫表观遗传组学研究的先河；通过山羊和绵羊参考基因组破译及 比较基因组学分析，揭示了反刍类家养动物瘤胃及羊毛、羊脂产生的分子机 制；首次利用了光学图谱组装方法而不依赖于遗传图谱将大型基因组山羊基因 组组装到染色体水平；该项目研究成果分别发表在 Nat Biotechnol （ 3 篇）、 Scienee （ 1篇）、NatCommu （ 1篇）等学术期刊，平均影响因子 25.214，

3、合 计引用 903次，其中他引次数 843 次，最高单篇他引次数高达 289次。成果发表 后产生了广泛国际影响。同意提名该项目为国家自然科学奖二等奖。项目简介 ： 家养动植物是人类社会赖以存在和发展的重要基础，是一万多年来不断人 工选择的结果。尽管早在 1 859年达尔文的旷世巨著 物种起源及 1 868年的巨著动植物在家养条件下的变异 详细论述了物种在强烈人工选择下能快速产生 大量的形态和生理变异，然而在这之后的 150 年至今，人类对家养动植物进化 的遗传和基因组变异基础的了解甚至比对自然物种还少。在“973前沿科学项目”及“云南省科技计划项目”支持下，该项目的研究团队对家养动植物的基因

4、组进化特征和机制进行了研究。截止 2014 年底，该项目在水稻、家蚕、山羊和 绵羊的基因组进化方面取得了如下重要科学发现：1. 该项目以水稻及其野生近缘种为对象，首先构建了当时最为全面的栽培 稻-野生稻基因组多态性图谱，发现栽培品种的多态性显著地低于野生品种，且 基本包含在野生品种中，说明人工选择更多的是对已有的多态性进行选择，而 新突变概率较低。两种栽培稻进化格局差异显著，独立地起源于两种野生稻， 其中粳稻更有可能近期起源于中国长江流域。第二，首次在优良陆稻品种中发 掘出促进侧根发育的陆生适应性基因 脱落酸代谢途径中限速酶基因 Nced， 为陆稻适应性机制提供重要遗传依据。第三，技术方法上，

5、本项目开创性的开 发出选择信号筛选方法（ROD）及优良品种标签位点分析（ETAS），为研究家 养动植物基因组进化提供了重要方法论依据。第四，首次从单碱基表观遗传组 学水平对水稻表观组特征系统刻画，发现转录终止位点甲基化水平对基因表达 的调控。第五，发现一些独立于序列差异的甲基化变异，与栽培稻-野生稻基因表达差异相关，进而从全基因组水平表明人工选择可能作用于表观遗传学位 点，为后续的植物表观组学研究奠定了重要基础，为水稻重要农艺性状相关遗 传机制的探索提供崭新思路和素材。上述研究成果发表在 Nat Bioltechnol 、Nat Commun、BMC Plant Biol 、BMC Geno

6、mics等学术期刊。2. 该项目以家蚕为昆虫类家养动物为对象，从表观遗传学视角探索人工选 择机制，首先构建了第一张昆虫的表观遗传组 -丝腺 DNA 甲基化组，发现昆虫 DNA 甲基化格局与植物及哺乳类不同，水平很低，然而基因内部甲基化与表达 呈显著正相关，证明了其功能重要性。第二，开展了家蚕-野蚕甲基化组比较，鉴定出人工选择信号区域内唯一的表观遗传学差异位点，与表达差异相关。第 三，从昆虫类家养动物模型中，提出人工选择可能作用于表观遗传学位点并在 驯化过程中调控基因表达。该研究开创了昆虫表观遗传组学研究的先河。上述研究成果发表在 Nat Bioltech nol、BMC Ge no mics等

7、学术期刊。3. 该项目以山羊、绵羊反刍类及哺乳类家养动物为对象，通过参考基因组 结合转录组解析，首先在山羊中鉴定出与免疫、取食及乳汁分泌等相关的快速 进化及扩张基因。第二，通过微量转录组分析鉴定了 50多个与山羊绒形成密切 相关的基因。第三，在绵羊中发掘出反刍类家养动物瘤胃，羊特有羊绒、羊脂 形成的基因机制。第四，在技术上，山羊基因组的解析采用当时最新的 DNA 单 分子光学作图(Optical Mapping)技术，成为首个不依赖于遗传图谱而组装到染 色体水平的大型基因组。山羊和绵羊的基因组的破译，不仅解析这两种小型反 刍家养动物的一些生物学特性谜题，也为研究山羊绵羊在人工选择下进化的遗 传

8、机制，推动山羊、绵羊经济形状基因的奠定和高效育种奠定了重要基础。上述研究成果表在 Nat Biotechnol、Scienee等学术期刊。客观评价： 本项目取得了一系列重大研究成果，共发表代表性研究论文 8 篇，其中在Nat Biotechnol发表3篇，Scienee发表1篇，Nat commu发表1篇。论文合计 引用次数达 903次，其中他引次数 843次，最高单篇他引次数高达 289次。成果 发表后产生了广泛国际影响。水稻驯化机制研究成果单篇引用次数高达 289次。被 Nat Biotechol、NatGenetics Nat Commun、PNAS 等重要期刊论文，并被 Trends系

9、列、Frontiers系 列等综述论文多次引用。该研究开发出的多样性降低( ROD)方法，在后续一 系列研究人工选择下基因变异机制的研究论文，如 Scienee Nat Genetics等等论 文多次引用，成为重要的方法范例之一。该成果发表后，被Nature旗下重要学术网站Nature China作为研究亮点进行了题为“ Rice genetics: Quality genes的 ”特别报道，报道指出，“这项研究提供了有史以来规模最大的水稻变异目录和一 个非常有用的农业工具。这一发现可能有助于水稻遗传多样性的保护，有助于 提高水稻这一世界上最重要粮食作物的产量和品质。 ”水稻甲基化组研究论文

10、他引次数达81次，其中包括Trents in Plant Biol、Annu Rev Genet等期刊综述论 文及包括PNAS、MBE、Ecology Letters等高水平研究论文数篇。家蚕甲基化组论文发表后， Nature Asia-Pacific 网站将该文作为研究亮点进行了题为 “Threading together a map of silkworm DNA modifications的亮点报道。 Nature Chi na 网站对该文发表题为 “ Epige netics, few and far betwee评论文章， 指出由于昆虫 DNA 甲基化水平相对很低，刻画甲基化谱有一定

11、的挑战性。该研 究的完成，为从表观遗传学角度了解昆虫的进化提供了可能，研究结果为探讨 表观遗传学对家蚕驯化的影响提供了宝贵的数据 ”。 该论文发表至今已被至少 三本英文专著引用。被 Nature Rev Genet等期刊综述论文及 Cell、PNAS、Curr Biol等重要期刊研究论文引用。发表在 Ann Rev Entomol题为“ Advances in Silkworm Studies Accelerated by the Genome Seque ncing of Bombyx mori 的综述 中，将该项目的研究作为一个独立的进展进行综述，指出该成果应该开启家蚕 表观遗传学研究。发

12、表在 Trends in Genetics “Insects as innovative models for functional studies of DNA methylation 着重讨论”了该项目的研究工作，认为家蚕 与赤拟谷盗甲基化格局的差异是非常“ in trigui ng的发现。山羊基因组论文发表后，国际知名学术网站 Science Daily 进行了报道，认 为该项工作为小型反刍类动物研究提供了第一个参考基因组，将有助于揭示反 刍类与非反刍类动物基因组特点的差异，同时该项工作也为未来复杂基因组的 从头组装提供了一个非常有参考价值的一个成功范例。光学图谱方法在后续一 系列Nat

13、 Biotechol、Nat Genet等重要期刊论文广泛引用。绵羊的参考基因组解 析工作发表后，著名期刊 Science、 Nat Biotechnol 均撰文进行了高度评价，认为 该项工作“提供了家畜生产相关的重要资源” (Science), “本研究最突出的 亮点，正是控制瘤胃和皮肤发育的基因，揭示了这两个重要的生物学过程”(Nat Bioltech)。Nat Genet撰文推此项工作进行了系统描述。国内期刊中国 科学也对该工作进行了亮点报道。山羊和绵羊基因组的解析,标志着以中科院 昆明动物所谓代表的中国研究团队在国际羊基因组学研究领域中的领衔地位。代表性论文目录:序 号论文专者 名称/

14、刊名/年，卷期，页通讯作者第一作者1Reseque ncing 50 accessi ons of cultivated and wild rice yields markers for ide ntify ing agrono mically importa nt gen es/ Nature Biotech no logy/2012, 30:105Rasmus Nielse n, Jun Wang & Wen WangXun Xu, Xin Liu, Song Ge, Jeffrey D Jensen, Fen gyi Hu, Xin Li & Yang Dong2An a

15、lysis of elite variety tag SNPs reveals an important allele in upland rice/Nature Communications/2013, 4:2138Fengyi Hu &Wen WangJun Lyu, Shilai Zha ng, Yang Dong32014. A geno mic perspective on the importa nt gen etic mecha ni sms of upla nd adaptati on of rice/BMC Plant Biology/2014,14:160Wen W

16、an g, Jun Lyu, Fen gyi Hu.Jun Lyu45Sin gle-base resoluti on maps of cultivated and wild rice methylomes and regulatory roles of DNA methylati on in pla nt gene expressio n./ BMC Gen omics/2012,13:300Wen Wan g, JunWang andXia nfang XieLi X, Zhu J, Hu F, GeS, Ye MSin gle base-resoluti on methylome of

17、the silkworm reveals a sparse epige no mic map/ Nature Biotech nology/2010,28:516Qin gyou Xia, Wen Wang &Jun WangHui Xia ng, Jin gdeZhu, Quan Chen,Fangyin Dai, Xin Li6Comparative methylomics betwee n domesticated and wild silkworms implies possible epige netic in flue nces on silkworm domesticat

18、io n/BMC Gen omics/2013,14:646Jun Wang, andWen WangHui Xia ng, Xin Li, Fangyin Dai, Xun Xu, Anjia ng Tan7Seque ncing and automated whole-ge nome optical mapp ing of the genome of a domestic goat (Capra hircus)/ NatureBiotech no logy/2013, 31: 135Wen Wan g, JunWang, Shuh ongZhao, Xun XuYa ng Dong, Mi

19、n Xie, Yu Jia ng, Nianqing Xiao, Xiao yong Du,Wen gua ng Zhang8The sheep genome illu min ates biology of the rume n and lipid metabolism/Scienee/ 2014.344: 1168Bria n P.Dalrymple,We n Wang, Xun Xu,Ala n L.Archibald,Kim C.Worley,Noelle Cock e卄Yu Jia ng, Min Xie,Wen bi n Chen主要完成人情况：王文，第一完成人，研究员，工作单位：

20、西北工业大学，完成单位：中国 科学院昆明动物研究所。本项目总体设计和组织者，全面负责组织实施水稻进 化基因组学及优良基因发掘，家蚕及水稻表观遗传组学研究，山羊绵羊基因组 解析研究。提出研究工作总体思路，总体研究方案，跟进实施，参与撰写及深 度修改指导研究论文。是所有研究论文的通讯或共同通讯作者。对第1，2，3项科学发现有贡献。胡凤益 ，第二完成人，研究员，工作单位：云南大学，完成单位：云南省 农业科学院粮食作物研究所。负责水稻相关项目研究思路的设计和组织实施、 研究成果论文的深度修改。是代表性论文 1，4 的共同第一作者，代表性论文 2，3的共同通讯作者。对第 1 项科学发现有贡献。姜雨，第三

21、完成人，教授，工作单位：西北农林科技大学，完成单位：中 国科学院昆明动物研究所。解析绵羊参考基因组研究，同时是山羊基因组进化 研究的重要参加者。是本项目代表性论文 8 的第一作者，代表性论文 7共同第一 作者。对第 3 项科学发现有贡献。相辉，第四完成人，教授，工作单位：华南师范大学，完成单位：中国科 学院昆明动物研究所。负责开展家蚕表观遗传学研究。是代表性论文5，6 的第一作者，代表性论文 4 的参与作者。对第 2 项科学发现有贡献。徐讯，第五完成人，教授，工作单位：深圳华大基因研究院，完成单位： 中国科学院昆明动物研究所。完成水稻基因组进化研究、参与家蚕甲基化组研 究。是代表性论文 1 的第一作者，代表性论文 7， 8 的共同通讯作者，代表性论 文 6 的共同第一作者。对第 1， 2， 3 项科学发现有贡献。完成人合作关系：2007.1-2014.6