作物进化研究中的基因组方法

《汉书.郦食其传》有云：“王者以民为天，而民以食为天”，用兵之道更有“兵马未动，粮草先行”之语。可见，“吃”在人类历史发展过程中扮演的重要角色。人类从“茹毛饮血”的时代发展为智人，饮食结构的变化起到至关重要的作用，而人类发展的历史，更是伴随着农作物的改良和驯化过程。

近一个世纪，随着生物技术地不断进步，作物改良与驯化过程越来越快，基础研究的水平也相应提升。这期间，人类对农作物的驯化主要针对三个大方向：

1、驯化发生的时间与地点

2、驯化的扩散速度、方向以及性状连锁现象

3、栽培作物与野生材料之间的基因交流现象

具体又可以分为：表型的协同进化、突变引起的表型变化、作物适应于选择效应、遗传多样性的降低、表观遗传与调节以及基因编辑等领域。

伴随着基因组学的迅速发展，越来越多的基因组学技术方法开始应用于作物的驯化培育中，这里着重介绍一下基因组学在育种方面的主要应用方向：

1. 优秀参考基因组的组装

（1）栽培、野生材料都需要参考基因组

考虑到野生材料中有大量的新等位位点（Novel Allelic Diversity），所以一个物种只有一个参考基因组是过时的。各位看客中必然有水稻专家吧，目前水稻高质量基因组已经超过10个了吧。细细体会其中的研究价值，你就会发现这个判断的正确性。研究的最终状态很有可能是每个都进行de novo组装，而不是现在的de novo+N重测序。

对于组装，强烈推荐两个组合：

（a）策略1：PacBio/Nanopore + NGS + Dovetail HiC (如下图)

（b）策略2：NRgene 10X + NGS（如下图）

质量不高的基因组首先对于研究的使用价值不足，后期功能实验与分析更是捉襟见肘。其次单独成文发表的概率与意义现在越来越低。

2. 大群体的遗传多样性调查

毋容置疑，收集更多的品系、材料是作物研究的重要方面，其获得的基因池（GeneBanks或称SeedBanks）是作物改良与驯化重要的原材料。因此针对基因池的遗传多样性调查意义重大。

最常见的基于NGS的多样性调查方法是重测序和简化基因组方法（GBS、RAD等），其实除了以上两种，还有外显子与转录组测序。

各类多样性调查技术的优劣势比较:

作物研究领域中对于外显子测序，比较成熟的是小麦、大麦等基因组异常大的物种，然而其工业化生产芯片的流程并不是非常顺畅，所以应用的价值不大。反而是转录组测序，其在多种四倍体、六倍体作物中有成功的案例，是多倍体物种研究者的好选择。

3. 新技术的应用前景

（1）表观基因组学：DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质互作等表观水平的基因调节作用，使用NGS都存在比较成熟与通用的Seq方法。

（2）考古遗传学（Archaeogenetics）：对考古获得的作物样本进行DNA测定，可以知道基因组的动态变异过程，为作物驯化提供理论支持。

（3）基因组编辑：基因编辑技术使得作物的改良不再依赖传统的转基因组方法，但是伴随而来的脱靶验证、编辑效率都需要NGS技术的检测，为NGS在作物驯化领域又开辟出了一个新的方向。

福利~附图——

各类作物的基因组特征与历史来源：

最后：结合考古学与群体基因组学的研究证据，作物驯化过程在不同地区、不同物种上具有不同特点，并没有统一的理论。例如西南亚作物的驯化过程属于逐渐演化，并不是突然的基因组加倍过程。最后的最后：说实话，理论并没有实际的用处，获得理想的生产植株才是王道，哈哈。

参考文献： 

Genomic approaches for studying crop evolution. Genome Biology,2018.