2012年5月14日，由深圳华大基因研究院和张家口市农业科学院等单位合作完成的谷子基因组研究成果于国际著名杂志《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）上在线发表。在本研究中，科研人员成功构建了谷子全基因组序列图谱，为揭示谷子抗旱节水、丰产、耐瘠和高光合作用效率等生理机制的研究提供了新的途径，并为高产优质、抗逆谷子新品种的培育奠定了坚实的基础。
随着水稻、玉米、高粱、短柄草等重要禾本科物种的基因组相继被解密，科研人员更加迫切地希望能够破解更多的重要禾本科作物基因组，以期能揭示重要禾本科作物的保守性及差异性、阐明禾本科作物的基因组进化过程、进一步挖掘作物重要性状功能基因。谷子是重要的禾本科作物之一，其脱壳前被称为谷子，脱壳后被称为小米，是中国古代最重要的粮食作物，被称为“五谷之首”，从南到北均曾被广泛种植。谷子是二倍体自花授粉作物，其基因组较小（约470 Mb），具有丰富的遗传多样性（约6000个品种），种质资源保存较完整。此外，它还具有生育期短、单株籽粒多、适应性广、抗旱、耐瘠、采用C4光合途径等特点。这些特性使谷子能够成为一个很好的抗旱机理及C4光合系统发育与调控研究的新模式作物。
在本研究中，来自华大基因的科研人员通过新一代测序技术对一个来自中国北方的谷子品系（zhang gu）进行了全基因组测序和组装，获得了谷子的全基因组序列图谱（组装得到的基因组大小约为423Mb，N50达到了1.0Mb）。通过基因组注释和分析发现，谷子基因组中的重复序列约占整个基因组的46%，大约含有38，801个蛋白质编码基因。
为了构建遗传图谱，研究人员对另一谷子品系A2进行了重测序（10X基因组）。研究人员利用两个亲本（zhang gu和A2）的F2代群体，绘制了高密度的遗传图谱。该遗传图谱不仅辅助了基因组的组装，同时为谷子性状研究奠定了基础。例如，通过将谷子的基因组序列、遗传图谱及其后代表型等信息相结合，研究人员准确地找到了谷子中与抗稀禾定（一种除草剂）性状相关的基因，印证了之前研究表明的一个单核苷酸突变位点（SNP）可能是导致植株对稀禾定敏感性发生改变的结论。
谷子和水稻大约在5000万年前（50Mya）开始分化，二者分化之后的基因组结构仍存在明显的共线性。在本研究中，研究人员发现谷子的2号和9号染色体分别由水稻的7号和9号、3号和10号染色体融合而成，同时，他们发现这两次融合事件也发生在高粱的染色体中，由此，研究人员推测这两次染色体融合事件应该发生在谷子和高粱分化之前。此外，研究人员还发现了谷子独立分化出来之后的一次特异性染色体融合事件，即谷子的3号染色体是由水稻的5号和12号染色体或高粱的8号和9号染色体融合而成。这些染色体重组事件是物种遗传变异及物种分化的重要基础。
谷子属于C4植物，与C3植物（如水稻和小麦）相比具有较高的水分利用效率和光合效率。为了揭示C4植物和C3植物在光合作用过程中遗传机制上的差异性，研究人员对谷子中与光合作用有关的重要基因进行了分析，发现C4植物和C3植物均有与碳固定途径有关的基因且相关基因在拷贝数目上的变化差异不大。由此，他们推测C4植物中的C4途径可能是由于调控表达的差异所引起的功能上的改变导致的。
在全球气候剧烈变化、耕地资源不断减少、水资源日益短缺的情况下，大力培育和推广优良谷子品种将有助于提高土地利用率，节约灌溉用水，增加粮食产量，合理膳食结构，改善人民健康。华大基因研究院副院长张耕耘表示：“谷子全基因组序列图谱的完成是进行禾本科比较基因组学研究和功能基因挖掘的重要进展。此外，谷子基因组数据为谷子的生物学研究和新品种选育提供了一个全新的支撑平台。”（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nbt.2195
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Genome sequence of foxtail millet (Setaria italica) provides insights into grass evolution and biofuel potential
Gengyun Zhang,1, 2, 6 Xin Liu,1, 6 Zhiwu Quan,1, 2, 6 Shifeng Cheng,1, 6 Xun Xu,1, 2, 3, 6 Shengkai Pan,1, 6 Min Xie,1 Peng Zeng,1 Zhen Yue,1 Wenliang Wang,1 Ye Tao,1 Chao Bian,1 Changlei Han,1 Qiuju Xia,1, 2 Xiaohua Peng,1, 2 Rui Cao,1 Xinhua Yang,1 Dongliang Zhan,1 Jingchu Hu,1 Yinxin Zhang,1, 2 Henan Li,1, 2 Hua Li,1, 2 Ning Li,1, 2 Junyi Wang,1 Chanchan Wang,1, 2 Renyi Wang,1, 2 Tao Guo,1, 2 Yanjie Cai,1, 2 Chengzhang Liu,1, 2 Haitao Xiang,1, 2 Qiuxiang Shi,1, 2 Ping Huang,1, 2 Qingchun Chen,1, 2 Yingrui Li,1 Jun Wang,1, 4 Zhihai Zhao5 & Jian Wang1, 2 et al.
Foxtail millet (Setaria italica), a member of the Poaceae grass family, is an important food and fodder crop in arid regions and has potential for use as a C4 biofuel. It is a model system for other biofuel grasses, including switchgrass and pearl millet. We produced a draft genome (~423 Mb) anchored onto nine chromosomes and annotated 38,801 genes. Key chromosome reshuffling events were detected through collinearity identification between foxtail millet, rice and sorghum including two reshuffling events fusing rice chromosomes 7 and 9, 3 and 10 to foxtail millet chromosomes 2 and 9, respectively, that occurred after the divergence of foxtail millet and rice, and a single reshuffling event fusing rice chromosome 5 and 12 to foxtail millet chromosome 3 that occurred after the divergence of millet and sorghum. Rearrangements in the C4 photosynthesis pathway were also identified.
