香禾糯（Kam Sweet Rice, KSR）是受侗族传统饮食及农耕文化影响而被持续种植利用上千年的一类特殊生态型地方稻种，具有香味浓、糯性强、耐冷性及抗病虫等优异特性。2022年12月28日，中国农业科学院作物科学研究所韩龙植研究员团队在Molecular Plant（IF=21.949）在线发表了“Genomic footprints of Kam Sweet Rice domestication indicate possible migration routes of the Dong people in China and provide resources for future rice breeding”的研究论文。该研究利用具有地方（贵州省黔东南地区）特性的香禾糯，通过基因组重测序揭示了特色品种的遗传演化规律，为侗族族源及迁徙路线提供了证据；基因组印记及GWAS分析挖掘到香禾糯农艺性状和耐冷性状的关键基因，为培育高产和抗逆水稻品种提供了宝贵的基因组数据和资源。极智基因生物信息工程师王天义参与了本研究的数据分析工作。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.12.020
研究背景：
香禾糯（Kam Sweet Rice, KSR）是利用侗族地区特殊的水土资源和气候环境栽培选育并传承的一种特色稻种，其气味香醇、糯而不腻、营养丰富、口感极好，被誉为“糯中之王”，香禾糯还具有耐冷性及抗病虫等优异特性，因此具有极高的研究价值。
侗族是中国最古老的稻作民族之一，但关于侗族的起源和迁徙，历史学家、考古学家和人类学家之间存在着广泛的争论，并提出了四条主要迁徙路线。本文对香禾糯KSR和长江以南地方稻种进行重测序研究，利用KSR的遗传进化数据为侗族人的迁移路线提供证据支持，为水稻群体研究打开新思路，并通过基因组印记及GWAS分析挖掘到与香禾糯农艺性状和耐冷性状相关的关键基因，为培育高产和抗逆水稻品种提供研究基础。
研究材料：
本研究从1481份材料中筛选出372份核心材料，以及36份野生型材料(WR)用于全基因组重测序。372份核心材料被分为6个群体：来自黔东南(QDN)的104份香禾糯KSR，来自贵州稻种(GZ)的104份材料；长江以南地方品种包括来自华中地区(CC)的23份地方品种，华东地区(EC)的74份地方品种，华南地区(SC)的36份地方品种，西南地区(SW)的31份地方品种。所有材料的平均覆盖深度为12.4X。
技术路线：
主要结果：
A.香禾糯KSR的演化规律为侗族的多次迁徙事件提供证据：
群体遗传结构分析结果表明，香禾糯起源于广西、广东、福建和江西（图1）；结合民族学证据表明，后续香禾糯随侗族祖先的迁徙而传入黔东南，该分析结果支持Ⅲ号路线为侗族的迁徙路线（图2）。为了验证这一假设，进一步利用TreeMix、ABBA-BABA检验和fd 统计评估潜在祖先种到香禾糯的基因流。
图1 群体遗传结构分析
图2 侗族四条迁徙路线TreeMix用于研究种群间基因交流，其结果表明从共同祖先中最早的分化在SW/GZ、SC/KSR和CC/EC之间，然后是SW/GW、SC/KSR以及CC/EC之间的分化(图3A)。从EC向KSR和SC群体的基因流推断为Ⅲ号路线模型提供了支持(图3A)，ABBA-BABA统计同样验证了该结论。
为确定受基因流影响的特定基因组区域，使用fd 统计估计基因流的大小并计算基因组渐渗的比例(PGI )(图3B, 3C)。结果表明，广西、广东、江西和福建省的外源基因渗入是显著的，并且这些省份的水稻地方品种是KSR的潜在供体。这些发现与历史学家、考古学家和人类学家提出的路线是一致的。这些结果也表明侗族在历史上存在多次迁徙事件。
图3 不同类群地方稻种向香禾糯KSR的渐渗
B.香禾糯KSR种群分化和种群驯化瓶颈：
通过SMC++来推断KSR与祖先群体的分化时间及有效种群大小(Ne)。结果表明，KSR群体与SC和EC在大约350年前发生分化(图4)，KSR开始成为具有独特生态型的地方品种。KSR的有效群体大小在约220-150年前达到峰值，与历史记载的清朝中后期香禾糯的种植面积和数量达到最高峰是一致的。此外，SMC++结果也表明，KSR存在驯化瓶颈，从约150年前到约120年前，Ne从50,000降至15,000，Ne的持续下降可能与多种因素有关，如频繁的自然灾害、政府发布的种植政策等。
图4 种群历史动态分析
C.香禾糯KSR在驯化过程受选择的重要农艺性状：
通过π值（Pi）、Fst 以及XP-CLR来分析与驯化相关的受选择区域。将KSR与祖先群AP（包括广东、广西、江西和福建省）、KSR与GZ群体分别进行选择分析，挖掘到651和862个重要候选基因（至少被两个选择指标检测到）。其中有大量控制重要农艺性状的基因，如d50影响水稻的株高，Ghd7通过协调株高、开花时间和每穗粒数影响水稻产量，GIF1影响籽粒大小和籽粒灌浆。这些基因的受选择表明关键农艺性状，如株高、籽粒大小、结实率和抽穗期是侗族人民选择的目标。
例如位于3号染色体上，与粒长相关的QTL GS3，负调节谷粒长度(图5A，B和C)。GS3的单倍型分析表明，所有KSR的单倍型都是驯化型的(图5D，E和F)，并且Hap3更优越(图5G)。虽然Hap3比其他单倍型进化得更晚(图5D和E)，但这种优势单倍型的频率扩展到了85%的KSR群体(图5F)，这意味着侗族人的育种选择策略，因为他们的传统饮食文化需要大而圆的谷物品种(图5H)。RNA-seq数据显示GS3在KSR的表达比在AP高(图5I)，qRT-PCR显示GS3在KSR的表达也更丰富(图5J)。与AP群体相比，KSR的籽粒更圆更饱满，千粒重增加，长宽比降低，这与之前的研究保持一致。
此外，基因组印记也证明香禾糯农艺性状相关的其他关键基因如DPS1、Hd1以及耐冷相关的基因LTG1和MYBS3也是侗族选择驯化的目标基因，其单倍型变化模式也为香禾糯驯化动态过程提供了遗传证据。
图5 受选择基因GS3及GS3的单倍型分析
D.全基因组关联分析(GWAS)揭示香禾糯KSR农艺性状和耐冷性状的遗传基础：
利用GWAS鉴定了138个与8个农艺性状和1个耐冷性状显著相关的位点。在这些位点中，其中80个位点与已知功能基因重叠如FC1、qHd1、GLW10、EP3和GS3等。此外，还确定了一些新的关联位点，例如Os02g0202900(OsFBK3)和Os09g0471100与千粒重(TGW)性状相关联，其中OsFBK3调节水稻种子大小和粒数，Os09g0471100是与生长素代谢和细胞壁增厚有关的过氧化物酶前体。与AP亚群相比，这两个基因在KSR的表达水平更高，qRT-PCR验证了该结论。Os01g0923300被鉴定与每穗粒数(GN)相关联，Os01g0923300的Hap1在KSR的出现频率接近90%，且Hap1的表型明显优于Hap2。因此Os01g0923300的Hap1被确定为KSR特异的，值得进一步研究。同样的，RNA-seq和qRT-PCR的数据表明Os01g0923300在KSR的表达水平高于AP亚群。结合植株表型，这些基因在小穗原基中的高表达表明它们具有调控籽粒和小穗发育的功能。
图6 8个农艺性状和1个耐寒性状的GWAS分析
研究总结：
本研究利用我国黔东南香禾糯及长江流域以南地方稻种，开展群体重测序研究，在解析香禾糯的遗传演化规律的基础上，阐明了侗族族源及迁徙路线，为群体研究提供了创新思路，也为人类文明研究提供了新的方向。同时，基因组印记及GWAS分析挖掘到的关键基因，为水稻的品种培育和改良育种奠定了分子基础。
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