谷子中的“拟南芥”！我国科学家创制C4禾谷类研究的理想种质“小米”

       谷子中的“拟南芥”——C4禾谷类研究的理想模式植物“小米”

        长期以来，模式植物拟南芥在引领重要科学发现和先进研究技术方面扮演着十分重要的角色。随着水稻基因组测序的完成，以及迷你种质“小薇”的创制（点击查看：“小薇”：一种超矮秆新型水稻种质，可实现室内大规模种植和筛选），水稻作为禾谷类研究的模式植物发挥了越来越重要的作用【1】。然而，拟南芥和水稻都是C3植物，作为C4禾谷类作物的模式植物时有很大的局限性，无法解决诸如C4光合代谢以及许多黍亚科特殊的基础问题【2】。

        谷子具有抗旱、耐瘠薄和高光效等突出优势，恰恰弥补了拟南芥和水稻作为模式植物的不足，是极具发展潜力的禾谷类模式植物【2,3】。近年来，以谷子为对象的研究越来越多，并取得了辉煌的成就（点击查看：PNAS | 我国科学家以谷子为模式揭示作物株型调控新机制）【4】。尽管如此，谷子生育期较长、株高较高、遗传转化困难，极大地限制了其作为模式植物在功能基因组学研究中的应用。

        2020年8月31日，山西农业大学杂粮分子育种团队与中国农业科学院作物科学研究所等单位合作在Nature Plants发表了题为A mini-foxtail millet with an Arabidopsis-like life cycle as a C4 model system的研究论文，报道了该研究团队C4禾谷类研究的理想模式植物“小米”的研究成果。水稻模式植物体系“小薇”研发团队的钱前院士说：“C3模式作物有小薇，C4又有了小米，希望‘小薇’和‘小米’共同筑起基础研究领域的新平台，为保障国家粮食安全做出应有的贡献。”此外，Nature Plants同期刊发了遗传所余泓博士撰写的题为“Arabidopsis-like C4 model system”的评论文章，对该研究给予了高度评价。

        该研究利用EMS诱变技术对山西省名优谷子晋谷21进行了诱变，从中筛选到一个超早熟突变体xiaomi。该突变体生育期仅仅两个月左右，株高仅30 cm左右。xiaomi的生育期和株高与模式植物拟南芥相当，从而解决了谷子作为C4禾谷类模式植物无法在室内大规模培养的难题（图1A）。在此基础上，研究团队组装了高质量参考基因组，构建了全生育期基因表达图谱和谷子多组学数据库（http://sky.sxau.edu.cn/MDSi.htm），极大地方便了xiaomi功能基因组学研究。经过大量摸索和尝试，建立了一套方便快捷、高效稳定的农杆菌介导的xiaomi遗传转化体系（图1B）。该体系遗传转化效率高达23.28%，已经接近模式植物拟南芥和水稻的遗传转化水平，解决了xiaomi作为模式植物遗传转化效率低下的难题。xiaomi 模式植物体系的建立必将极大促进C4高光效、氮素高效吸收利用机制、抗旱机制、遗传驯化和优异品质形成的分子基础等研究。

        山西农业大学的杨致荣教授、中国农业科学院作物科学研究所的张皓珊博士和山西农业大学的李旭凯副教授为论文的共同第一作者；山西农业大学的王兴春教授、韩渊怀教授和中国农业科学院作物科学研究所的隋毅副研究员为论文的共同通讯作者。美国普渡大学和英国诺丁汉大学等单位参与了部分研究。

        山西农业大学杂粮分子育种团队（微信公众号mScience mCrop）由山西省高层次引进人才韩渊怀教授于2010年开始组建。现有成员26人，其中山西省高层次引进人才1人，山西省131领军人才1人，“三晋英才”拔尖骨干人才2人，“三晋英才”青年优秀人才8人，晋农新秀8人。团队主要从事杂粮功能基因组学、植物氮磷高效利用的分子调控网络、谷子优异品质形成的分子机制和谷子白发病抗性机制等研究。近年来，承担了国家自然科学基金项目15项，国家重点研发计划项目子课题5项；发表SCI论文33篇；育成华金早、华金矮和华金杂等系列谷子品系。

        杂粮分子育种团队感谢山西农业大学外事处、科研处和人事处在团队人才引进、团队建设和科学研究方面给予的支持和帮助！特别感谢中国农业科学院作物科院研究所刁现民研究员给予的指导和帮助！感谢美国普渡大学的马渐新教授、姜亦巍教授，中国农业科学院作物科学研究所的吴传银研究员，英国诺丁汉大学的Malcolm Bennett院士、Don Grierson院士、Rupert Fray教授、Sean Mayes副教授，中国科学院遗传与发育生物学研究所的田志喜研究员和美国堪萨斯州立大学的余建明教授在实验设计和论文写作方面给予的指导和帮助！感谢华南农业大学的夏瑞教授帮助绘制了全生育期基因表达谱热图！本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和山西省重点研发计划的资助。