家养动植物基因组进化的特征和机制.DOC

1、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

2、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、 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2 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

4、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

5、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

6、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

7、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 。 3 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 M

8、apping）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

9、， 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

10、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4 行了题为 “Threading

11、 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，研究结果为探讨表观遗传学对家蚕驯化的影响提供了宝贵的数据 ”。 该论文发表至今已被至少三本英文专著引用。被 Nature Rev Genet 等 期刊综述论文及 Cell、 PNAS、 Curr Biol等重要期刊研究论文引用。发表在 An

12、n Rev Entomol题为 “Advances in Silkworm Studies Accelerated by the Genome Sequencing of Bombyx mori”的综述中，将该项目的研究作为一个独立的进展进行综述，指出该成果应该开启家蚕表观遗传学研究。发表在 Trends in Genetics “Insects as innovative models for functional studies of DNA methylation”着重讨论了该项目的研究工作 ， 认为家蚕与赤拟谷盗甲基化格局的差异 是非常 “intriguing”的发现。 山羊基因组论文

13、发表后，国际知名 学术 网站 Science Daily 进行了报道，认为该项工作为小型反刍类动物研究提供了第一个参考基因组，将有助于揭示反刍类与非反刍类动物基因组特点的差异，同时该项工作也为未来复杂基因组的从头组装提供了一个非常有参考价值的一个成功范例。 光学图谱方法在后续一系列 Nat Biotechol、 Nat Genet 等重要期刊论文 广泛引用。 绵羊的参考基因组解析 工作发表后，著名期刊 Science、 Nat Biotechnol均撰文进行了高度评价，认为该 项工作“提供了家畜生产相关的重要资源”（ Science），“本研究最突出的亮点，正是控制瘤胃和皮肤发育的基因，揭示了

14、这两个重要的生物学过程”（ Nat Bioltech）。 Nat Genet 撰文推此项工作进行了系统描述。国内期刊 中国科学 也对该工作进行了亮点报道。 山羊和绵羊基因组的解析，标志着以中科院昆明动物所谓代表的中国研究团队在国际羊基因组学研究领域中的领衔地位。 5 代表性论文 目录 ： 序号 论文专著 名称 /刊名 /年，卷期，页 通讯作者 第一作者 1 Resequencing 50 accessions of cultivated and wild rice yields markers for identifying agronomically important genes/ Nat

15、ure Biotechnology/2012, 30:105 Rasmus Nielsen, Jun Wang & Wen Wang Xun Xu, Xin Liu, Song Ge, Jeffrey D Jensen, Fengyi Hu, Xin Li & Yang Dong 2 Analysis of elite variety tag SNPs reveals an important allele in upland rice/Nature Communications/2013, 4:2138 Fengyi Hu & Wen Wang Jun Lyu, Shilai Zhang,

16、Yang Dong 3 2014. A genomic perspective on the important genetic mechanisms of upland adaptation of rice/BMC Plant Biology/2014,14:160 Wen Wang, Jun Lyu, Fengyi Hu. Jun Lyu 4 Single-base resolution maps of cultivated and wild rice methylomes and regulatory roles of DNA methylation in plant gene expr

17、ession./BMC Genomics/2012,13:300 Wen Wang, Jun Wang and Xianfang Xie Li X, Zhu J, Hu F, Ge S, Ye M 5 Single base-resolution methylome of the silkworm reveals a sparse epigenomic map/ Nature Biotechnology/2010,28:516 Qingyou Xia, Wen Wang & Jun Wang Hui Xiang, Jingde Zhu, Quan Chen, Fangyin Dai, Xin

18、Li 6 Comparative methylomics between domesticated and wild silkworms implies possible epigenetic influences on silkworm domestication/BMC Genomics/2013,14:646 Jun Wang, and Wen Wang Hui Xiang, Xin Li, Fangyin Dai, Xun Xu, Anjiang Tan 7 Sequencing and automated whole-genome optical mapping of the gen

19、ome of a domestic goat (Capra hircus)/ Nature Biotechnology/2013, 31: 135 Wen Wang, Jun Wang, Shuhong Zhao, Xun Xu Yang Dong, Min Xie, Yu Jiang, Nianqing Xiao, Xiaoyong Du,Wenguang Zhang 8 The sheep genome illuminates biology of the rumen and lipid metabolism/Science/2014.344: 1168 Brian P.Dalrymple

20、,Wen Wang, Xun Xu, Alan L.Archibald,Kim C.Worley,Noelle Cockett Yu Jiang, Min Xie, Wenbin Chen 6 主要完成人 情况 ： 王文 ，第一完成人， 研究员 ，工作单位： 西北工业大学 ，完成单位：中国科学院昆明动物研究所 。 本项目总体设计和组织者， 全面负责组织实施水稻进化基因组学及优良基因发掘，家蚕及水稻表观遗传组学研究，山羊绵羊基因组解析研究。 提出研究工作总体思路，总体研究方案，跟进实施，参与撰写及深度修改指导研究论文。是所有研究论文的通讯或共同通 讯作者。对第 1， 2， 3项科学发现有贡献。

21、胡凤益 ，第 二 完成人，研究员，工作单位：云南大学，完成单位：云南省农业科学院粮食作物研究所 。 负责水稻相关项目研究思路的设计和组织实施、研究成果论文的深度修改。是代表性论文 1， 4 的共同第一作者，代表性论文2， 3 的共同通讯作者。对第 1 项科学发现有贡献。 姜雨 ，第 三 完成人，教授，工作单位：西北农林科技大学，完成单位：中国科学院昆明动物研究所 。 解析绵羊参考基因组研究，同时是山羊基因组进化研究的重要参加者。是本项目代表性论文 8的 第一作者，代表性论文 7共同第一作者。对第 3 项科学发 现有贡献。 相辉 ，第四完成人，教授，工作单位：华南师范大学，完成单位：中国科学院昆

22、明动物研究所 。 负责开展家蚕表观遗传学研究。是代表性论文 5， 6 的第一作者，代表性论文 4 的参与作者。对第 2 项科学发现有贡献。 徐讯 ，第五完成人，教授，工作单位： 深圳华大基因研究院 ，完成单位：中国科学院昆明动物研究所 。 完成 水稻基因组进化研究、 参与 家蚕甲基化组研究。是代表性论文 1 的第一作者， 代表性论文 7， 8 的共同通讯作者， 代表性论文 6 的共同第一作者。对第 1， 2， 3 项科学发现有贡献。 完成人合作关系 ： 2007.1-2014.6 第一 完成人王文与第 二 完成人胡凤益就水稻基因组进化、陆稻陆生适应性 及水稻表观遗传组 研究开展深入系统的合作，

23、共同发表代表性论文1， 2， 3， 4，对第 1 项科学发现 有 重要贡献。 2008.8-2014.6 第一完成人王文与第 三 完成人姜雨合作开展 山羊、 绵羊参考7 基因组深度解析及山羊基因组进化研究，合作发表代表性论文 7， 8， 对第 3 项科学发现 有 重要贡献。 2008.3-2014.10 第一完成人王文与第四完成人相辉合作开展家蚕表观遗传组学进化研究以及基因组编辑在家养动植物中开展的可行性调研工作，合作发表代表性论文 5,6,8。 对 第 2 项 科学发现 有重要贡献 。 2009.7-2014.10 第一完成人王文与第 五 完成人 徐讯水稻基因组进化及 山羊 绵羊 参考基因组

24、解析研 究中深入合作。在王文研究总体负责的水稻基因组进化，同时参与家蚕甲基化组测序 以及 山羊绵羊基因组测序组装。 合作发表代表性论文 1， 6， 7， 8，对科学发现 1 有重要贡献，对 第 2， 3 项 科学发现有 贡献。 知情同意证明： 代表性论文中的共同通讯作者 Rasmus Nielsen, Jeffrey D Jensen 以及共同第一作者 Brian P.Dalrymple, Alan L.Archibald, Kim C.Worley, 和 Noelle Cockett 属于外籍专家不能参与申报，都已经签署了知情同意书。其他未获得提名的 8篇代表性论文的第一作者 (并列第一作者 )或者通讯作者（共同通讯作者） ，都已经签署了知情同意书。 “所列论文专著用于提名国家自然科学奖的情况，已征得未列入项目主要完成人的作者的同意，知识产权应归国内所有， 且不存在争议 ”。