六倍体栽培裸燕麦的起源与驯化

Oat is not only a kind of healthy food crops, but also a good forage grass. Naked oat is mainly planted in China and hulled oats are grown in other countries．Processing technique of hexaploid naked oat is simpler and more convenience than hulled oat, and naked oat is rich in protein and fat, perfect amino acid composition. Hexaploid naked oat reflects the especial important status in production and utilization, taxonomy of genus Avena, origin and domestication history of cultivate oat. The suggestions about the origin and taxonomy of naked oat were disputable and inconclusive. To clarify the origin and taxonomy of hexaploid naked oat，resolve whether the origin of naked oat would be some region of China, and whether it should be an independent species of genus Avena or just a sub-species of Avena sativa, 870 materials representing twenty five Avena species and covering all distribution aeras were included in this study to perform scnDNA clone, GBS and RNA-seq. The results not only provide evidences for the study of cultivated oat phylogeny, domestication and evolution, but also give guidance for the application of hexaploid naked oat in crop genetics and breeding.

燕麦是一种营养价值很高的粮、饲兼用型作物，世界各国的六倍体栽培种以皮燕麦为主，而我国主要种植裸燕麦。裸燕麦加工工艺更加简单，具有更高的蛋白和粗脂肪含量，且氨基酸组成更加平衡，在燕麦的生产利用、分类、起源和驯化历史研究中占有特殊的重要地位。国内外学者在裸燕麦在燕麦属中的系统地位和起源问题上存在诸多争议，为明确六倍体裸燕麦的起源和驯化历史，解决长期争议的裸燕麦是否起源于中国，是否该作为独立种考虑的问题，我们以燕麦属现存的所有二倍体、四倍体和包括栽培燕麦在内的AACCDD基因组六倍体共25个种为研究对象，收集涵盖野生和栽培物种的主要分布区域的870份材料，利用单拷贝核基因克隆、GBS和RNA-seq等方法，开展六倍体栽培裸燕麦系统地位确定、物种起源和进化历史的研究。本项目研究结果不仅为栽培燕麦的系统起源、驯化和多倍体作物进化理论提供重要参考，也为六倍体栽培裸粒燕麦在遗传育种中的有效应用提供指导。

项目背景：异源六倍体栽培燕麦是一种营养价值很高的粮饲兼用型作物，根据外稃特征，通常将六倍体栽培燕麦分为皮燕麦和裸燕麦。尽管有大量研究表明裸燕麦起源于中国，但关于裸燕麦的起源和驯化，以及分类地位还存在争议，同时关于其裸粒性状的遗传机制还不清楚。.. 主要研究内容：对燕麦属现存的所有二倍体、四倍体和包括六倍体栽培燕麦在内共27个种的870份燕麦为研究对象，利用流式细胞仪、单拷贝核基因克隆、高通量简化基因组测序GBS和转录组测序RNA-seq等方法，研究燕麦属物种基因组大小变异、六倍体栽培裸燕麦的起源和物种分类，利用全基因组关联分析对裸粒主效位点N1进行了遗传定位和关联标记挖掘，并通过对皮、裸燕麦穗部发育不同时期的转录组测序分析，初步解析可能的裸粒形成机制。.. 重要结果和关键数据：燕麦属六倍体物种基因组的平均2C值为25.74pg，其多倍化过程伴随基因组不断缩小。AC基因组四倍体和六倍体关系较近，且四倍体的A、C基因组与六倍体D、C基因组共线性更高；Al基因组二倍体A.longiglumis和AC(DC)基因组四倍体A.insularis推测为六倍体祖先种。野生与栽培燕麦间存在明显的遗传分化，来自西南亚的野生六倍体物种A. sterilis与栽培六倍体具有较近的亲缘关系，推测西南亚是栽培燕麦起源地；裸燕麦与普通栽培皮燕麦关系较近，河北可能是裸燕麦的起源中心。裸燕麦地方品种与育成品种之间形成了明显的群体结构，且地方品种遗传多样性较低，可能由驯化瓶颈所致。结合已有的高密度六倍体一致性图谱，采用基于自然群体的全基因组关联分析对裸粒性状主效基因N1进行遗传定位，其中最显著关联的标记位于Mrg21连锁群的205cM、212cM上，由于Mrg21总长为216.5cM，因此N1位于Mrg21连锁群的末端。.. 科学意义：明确了六倍体物种的D基因组四倍体来源及最可能的A基因组供体，解决了燕麦属多倍体进化的关键问题；揭示了裸燕麦独特的群体结构和较低的遗传多样性，推测了燕麦驯化历史并对包括皮裸性状在内的驯化相关基因进行定位、研究，为裸燕麦的育种策略提供重要参考。