动植物全基因组重测序

亚洲栽培稻是全球半数人口的主食，是保障粮食安全的核心作物，而随着人口增长、耕地与水资源缩减，叠加气候波动加剧的现状，2035 年全球需新增 1.12 亿吨稻米产量，这对水稻品种的高产性、抗逆性提出了更高要求，丰富的遗传多样性则是水稻品种改良和育种创新的核心基础。此前学界已发现水稻存在籼、粳两大核心类群，以及 Aus、Basmati 等特色亚群，但相关研究多缺乏大样本、全基因组尺度的系统解析，对结构变异、基因存在 / 缺失变异等遗传多样性的关键组成部分挖掘不足，也未构建出完整的水稻泛基因组，难以充分支撑育种需求。全球基因库中保存有约 78 万份水稻种质资源，其中绝大多数尚未被充分测序和遗传解析，大量优异的遗传变异未能被挖掘利用。同时，关于水稻的驯化机制，此前的研究结论仍存在争议，籼、粳稻的驯化起源与演化关系尚未得到全基因组层面的充分验证。3k水稻基因组计划应运而生，为系统解析亚洲栽培稻的遗传变异特征、种群精细结构、泛基因组规律及驯化进化机制提供了大样本基础，也为充分挖掘水稻种质资源的育种价值、培育优质抗逆水稻新品种奠定了研究框架。

对 3024 份亚洲栽培稻测序，质控后保留 3010 份（以日本晴为参考基因组），选取 453 份高深度测序样本重点分析结构变异。鉴定 SNP、插入缺失、结构变异等遗传变异，用map-to-pan策略构建水稻泛基因组。通过 ADMIXTURE、PCA 等解析种群结构，计算核苷酸多样性、连锁不平衡分析遗传分化；对关键驯化基因做单倍型分析探究驯化机制。用 GWAS 挖掘粒长、白叶枯病抗性等农艺性状相关遗传位点，验证遗传变异的育种价值。

检测到32M的高质量 SNPs 和 Indels，对亚洲栽培稻群体进行了更为细致和准确的划分，由传统的5个亚群增加到9个，分别是：东亚的籼稻（XI-1A）、南亚的籼稻XI-2、东南亚的籼稻（XI-3）和现代籼稻品种、东南亚的温带粳稻（GJ-tmp）、热带粳稻（GJ-sbtrp）、亚热带粳稻（GJ-trp）以及来自来自印度和孟加拉的Aus（cA）和香稻（cB）。同时发现在水稻基因资源库中仍存在大量的 SNP 有待发掘。亚洲栽培稻中存在大量结构变异（SVs），平均每个基因组约有1.2万个SVs，籼粳亚群间呈现明显的差异，并且可能是引起籼粳杂种不育和杂种衰退的遗传基础。使用“map-to-pan”策略构建了亚洲栽培稻的泛基因组，获得了268M的日本晴参考序列之外的非冗余序列，预测了1.2万个新的全长基因。在水稻泛基因组中，包含了12770个（53.5%）核心（core）基因家族和9050个（37.9%）分散式(distribute)基因家族。基因或基因家族的存在/缺失变异（PAVs）在主要亚群间也呈现显著差异。同时发现：核心基因比较古老，大多数的新基因表现更年轻和长度偏短；相较于核心基因，分散式基因中存在更多的SNP变异。通过对重要进化相关基因的单体型分析发现：很多的籼稻品种携带的等位基因没有出现在粳稻品种当中。该结果更支持籼稻是独立进化来的假说（多起源假说）。