家养动植物基因组进化的特征和机制

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）、Science （1篇）、Nat Commu （1篇）等学术期刊，平均影响因子25.214，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1859年达尔文的旷世巨著《物种起源》及1868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，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 Genomics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 Bioltechnol、BMC Genomics等学术期刊。

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、Science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，Science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、Nat Genetics、Nat Commun、PNAS等重要期刊论文，并被Trends系列、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Science、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 China 网站对该文发表题为“Epigenetics, few and far between”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