結構變異（Structural variation，SVs）和基因拷貝數(shù)變異（gene copy number variations，gCNVs）是動植物中主要的遺傳變異來源，對于作物進化、馴化和改良具有重要貢獻。全面準確地鑒定和分析SV和gCNV對挖掘優(yōu)異等位基因、保障水稻糧食安全具有重要意義。
四川農(nóng)業(yè)大學李仕貴等研究人員合作于2021年發(fā)表于《Cell》期刊“Pan-genome analysis of 33 genetically diverse rice accessions reveals hidden genomic variations”的研究論文，通過組裝了31個具有遺傳多樣性的水稻種質(zhì)的高質(zhì)量基因組，并結合兩個現(xiàn)有的水稻基因組，開發(fā)了水稻泛基因組，為水稻及其他作物基因組研究、種質(zhì)資源的精準鑒定、優(yōu)良基因的挖掘、基因功能解析、分子設計育種等研究奠定了堅實基礎。
本研究選取了遺傳背景具有高度代表性的33個水稻材料，包括亞洲栽培稻各亞群代表性材料和非洲栽培稻材料，以及水稻生產(chǎn)和育種上廣泛使用的優(yōu)良品種和核心親本材料。利用PacBio長片段測序、Illumina測序、RNA-seq和NCBI數(shù)據(jù)庫，獲得了31份材料平均深度為60倍的長片段序列數(shù)據(jù)。利用高質(zhì)量基因組組裝和注釋流程，獲得了31個均達到參考基因組水平的高質(zhì)量基因組和基因注釋。結合已發(fā)表的兩個高質(zhì)量基因組（日本晴和蜀恢498）和注釋結果，構建了水稻泛基因組，同時比較分析水稻的結構變異情況。1、獲得31 個從頭組裝高質(zhì)量水稻基因組，用于遺傳多樣性的種質(zhì)研究；
2、構建水稻泛基因組規(guī)模資源和基于圖的基因組揭示隱藏的SV和gCNV；
3、使用O. glaberrima基因組推斷O. sativa SVs的衍生狀態(tài)；
4、SVs和gCNVs塑造了水稻基因表達譜和農(nóng)藝性狀變異。
組裝的31份水稻的高質(zhì)量基因組中，亞洲稻基因組大小平均為385.8 Mbp（371.7–392.9 Mbp），非洲稻CG14基因組大小為344.7 Mbp。平均Contig N50達到12.88 Mbp。以日本晴基因為基礎采用迭代策略構建泛基因組，獲得了包含66,636個蛋白質(zhì)編碼基因的首次構建了水稻圖形基因組，是水稻中迄今最為完整的基于圖形結構的泛基因組。其中20,374個基因為核心基因，46,262個為可變基因。表1 31個水稻高質(zhì)量基因組組裝及注釋結果
圖1 遺傳多樣性水稻種質(zhì)的不同農(nóng)藝表型
將32個基因組序列與日本晴基因組序列進行比較檢測SVs，獲得了總共有171,072個非冗余SVs，包括164,009個存在/缺失變異（PAVs），6,109個易位和954個倒位。SVs在染色體上呈不均勻分布，有140個SVs熱點區(qū)域。在染色體11上一個SV熱點區(qū)域與12個稻瘟病抗性數(shù)量性狀基因座（QTLs）重疊或鄰接。這些發(fā)現(xiàn)表明，位于SV熱點區(qū)域內(nèi)的變異可能經(jīng)歷更強的環(huán)境選擇。圖2 代表衍生狀態(tài)的SVs的推斷和表征
大多數(shù)dSVs與非編碼區(qū)重疊。對R527的29種不同樣本類型的RNA測序分析發(fā)現(xiàn)脅迫處理后dSVs基因表達變化大于3倍的比例明顯高于非dSVs基因，表明dSVs基因通常對環(huán)境壓力更敏感，水稻進化和馴化過程中SVs具有廣泛的基因表達譜。。這些基因組變異很難利用傳統(tǒng)手段鑒定到，絕大多數(shù)在先前研究中均未發(fā)現(xiàn)，但在農(nóng)藝性狀調(diào)控中發(fā)揮重要作用。例如，著名日本優(yōu)質(zhì)稻品種“越光”中一個早熟位點（qDTH7-3），可能由OsMADS18基因在“越光”產(chǎn)生兩個拷貝，導致表達量升高從而表現(xiàn)早熟表型。圖3 SVs對基因的影響促成了環(huán)境適應和馴化
水稻泛基因組中25,549個（38.34%）蛋白質(zhì)編碼基因被推斷為gCNVs，包括14,782個基因PAVs。此外，gCNVs可以導致異位表達模式，水稻中gCNV普遍存在并與農(nóng)藝性狀的變異有關。總體而言，這個gCNVs目錄有助于研究水稻表型變異背后潛在的隱藏基因組變異。圖4 廣泛存在的基因CNVs與農(nóng)藝性狀變異相關
這些SVs主要的形成機制是轉(zhuǎn)座因子插入(TEI)，其次是非同源末端連接(NHEJ)。研究表明TEs，尤其是LTRs，能夠以某種方式頻繁地為NHEJ產(chǎn)生DNA斷裂，或者通過提供同源序列來促進非等位同源重組(NAHR)。圖5 多種機制驅(qū)動水稻SV的形成
以日本晴基因組作為基礎線性基因組，基于彼此同源性<50%的PAV序列構建水稻圖形基因組?？偣?,542個PAVs被整合到圖形基因組中。將水稻3K-RG數(shù)據(jù)集中選擇的674份覆蓋所有亞群、測序深度>10X的水稻材料比對到圖形基因組，證明了水稻圖形基因組的實用性。圖6 水稻圖形基因組的構建及效用展示
為了便于使用這些基因組資源，作者搭建了水稻數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站（http://www.RiceRC.com）。該網(wǎng)絡工具集成了基因組瀏覽器和BLAST功能，便于使用基因組序列和查詢遺傳變異等內(nèi)容，促進水稻功能基因組學和育種應用研究。圖7 水稻數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站
總之，本研究獲得了31 個從頭組裝高質(zhì)量水稻基因組，用于遺傳多樣性的種質(zhì)研究。同時首次構建了水稻圖形基因組，是水稻中迄今最為完整的基于圖形結構的泛基因組。研究對 SV 形成機制、對基因表達的影響以及亞群之間分布的分析說明了這些資源在理解 SV 和 gCNV如何塑造水稻環(huán)境適應和馴化方面的效用。研究基于水稻泛基因組通過全基因組關聯(lián) (GWAS)分析，來鑒定那些僅通過SNPs和單個參考基因組所無法檢測的、與表型相關的遺傳變異。本文的工作提供了水稻群體級別的基因組資源，同時配套開發(fā)了在線網(wǎng)站便于用戶獲取相關資源，有助于促進水稻育種以及植物功能基因組學和進化生物學研究。參考文獻
Pan-genome analysis of 33 genetically diverse rice accessions reveals hidden genomic variations. Cell, 2021.
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