小麥?zhǔn)亲钪饕娜蛐约Z食作物之一，是人類獲取能量和營養(yǎng)的重要來源。為提高糧食產(chǎn)量，人們主要集中培育和推廣半矮稈稻麥品種。然而，育種中偏好選擇那些控制矮稈和能顯著提高收獲產(chǎn)量的特定基因，會忽略大量的其他可能有益的遺傳變異，導(dǎo)致小麥現(xiàn)代品種多樣性的丟失。
小麥遺傳多樣性日漸狹窄，不利于應(yīng)對復(fù)雜的病蟲害和氣候變化的影響，在極端天氣頻發(fā)的今天，將使小麥生產(chǎn)面臨潛在的危機(jī)。找回小麥消失的遺傳多樣性，是解決問題的重要途徑。近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心）程時鋒團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外多家單位，利用基因組學(xué)等前沿技術(shù)，解析了上千份來自全球的小麥核心種質(zhì)資源，找回了現(xiàn)代小麥品種丟失的遺傳多樣性“寶庫”，大大促進(jìn)了小麥基因組設(shè)計育種的步伐。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際期刊《自然》。
丟失的小麥基因
小麥歷史悠久，全世界有40%以上的人以小麥為主食。在歷史發(fā)展進(jìn)程中，小麥逐漸適應(yīng)各地的生態(tài)環(huán)境，形成豐富多樣的地方品種。然而，近百年間，眾多地方品種逐步被淘汰甚至消失。中國農(nóng)科院基因組所研究員程時鋒告訴記者：“全球小麥看似品種非常多，但現(xiàn)代育種中，其攜帶的遺傳資源，在不斷地單一化?！?從上世紀(jì)初開始，以工業(yè)氮肥為代表的化肥革命、以矮稈化為代表的農(nóng)業(yè)綠色革命，使高產(chǎn)、化肥適應(yīng)性更好的小麥品種風(fēng)行全球，最終遺傳多樣性越來越單一?！暗胤狡贩N在過去被替代，主要和產(chǎn)量較低、抗倒伏性不強(qiáng)等原因有關(guān)，一旦遇到產(chǎn)量更高的現(xiàn)代小麥品種，農(nóng)民往往就會遺棄栽培了多年的當(dāng)?shù)仄贩N?！?/p>
近來，全球極端天氣頻發(fā)，新的病蟲害不斷出現(xiàn)，亟須培育新一代高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥品種。 “追溯作物進(jìn)化和馴化過程中已形成的遺傳和表型多樣性，解碼和發(fā)現(xiàn)小麥優(yōu)異性狀和變異是高效、精準(zhǔn)的小麥育種的重要環(huán)節(jié)?！背虝r鋒說。尋回小麥消失的多樣性，讓小麥的遺傳資源更豐富，就可以讓育種家們有更多的選擇。
地方品種雖然越來越快地被淘汰，但并不意味著，它們?nèi)繌氐自谑澜缟蠝缃^了。事實上，早在上世紀(jì)二三十年代，第二次世界大戰(zhàn)開始前，就有科學(xué)家著力保存那些消失的地方種，建立資源庫，如當(dāng)時知名的潘氏小麥、沃氏小麥。
2018至2019年期間，程時鋒團(tuán)隊開始了一項艱巨的任務(wù)，找到那些現(xiàn)代育種中丟失的基因。為此，程時鋒連續(xù)多次訪問英國，在保存沃氏小麥的科研機(jī)構(gòu)英國約翰·英納斯中心，將沃氏小麥引入中國，“當(dāng)時引進(jìn)了上千份優(yōu)異的小麥核心種質(zhì)資源，其中包含百年前收集于歐洲、亞洲和非洲32個國家的827份地方品種?！?/p>
值得一提的是，800多份百年前的地方品種中，有118份收集于中國，是中國傳統(tǒng)的地方品種，他們在海外輾轉(zhuǎn)百年后，終于又回到了故鄉(xiāng)。
隨后，程時鋒所在的基因組所，聯(lián)合英國約翰·英納斯中心等國內(nèi)外多家優(yōu)勢單位，開始了對這些珍貴資源的研究。
古麥今用
2018-2019年期間，程時鋒團(tuán)隊將這份多樣性豐富的全球地方品種的種質(zhì)資源引入中國以后，先后在廣東、湖北、江蘇、河北、山東和黑龍江等地進(jìn)行了廣泛和全面的表型鑒定和雜交試驗，對沃氏小麥地方品種在中國的適應(yīng)性情況進(jìn)行了全面摸底，并對其在我國不同生態(tài)區(qū)的表現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定：每一株小麥的性狀，何時出苗，怎樣分蘗，節(jié)間距長短，穗粒數(shù)多少……
由于沃氏小麥?zhǔn)占诰G色革命之前，所以具有豐富的遺傳多樣性，具有極高的研究價值。通過與現(xiàn)代品種的比較，科研人員發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代小麥品種經(jīng)過長期的人工定向選擇，僅來自于7個祖先群中的2個，67%以上的遺傳多樣性丟失。
其實，養(yǎng)活當(dāng)?shù)厝嗣駭?shù)千年的各個地方小麥馴化品種，已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，但與現(xiàn)代品種相比，產(chǎn)量相對較低，植株較高。然而，地方品種較少受到歷史和地理瓶頸效應(yīng)的影響，使得其往往能保有豐富的遺傳多樣性，但尚未在現(xiàn)代品種中得到充分利用。有少數(shù)主要效應(yīng)性狀，如抗病基因，通過現(xiàn)代品種與地方品種進(jìn)行異花授粉，得以產(chǎn)生具有優(yōu)良性狀的后代；但地方品種中的優(yōu)異變異大多數(shù)以稀有或低頻方式分散在少數(shù)品種中，一些復(fù)雜數(shù)量性狀的解析更是面臨多重技術(shù)、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)，使得現(xiàn)代育種中很少使用地方品種。
因此，即使地方品種蘊藏著巨大的提升作物育種價值的優(yōu)異遺傳多樣性，但從中鑒定、發(fā)掘和利用現(xiàn)代品種中缺失的新的遺傳多樣性，需要克服一系列的育種障礙，包括開發(fā)地方品種的基因組資源，構(gòu)建其遺傳資源和充分的表型數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行一系列目標(biāo)基因的功能性驗證和育種價值的確認(rèn)。
科研團(tuán)隊通過現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，進(jìn)行多樣性種質(zhì)資源的遺傳和表型變異圖譜繪制工作，對引進(jìn)的小麥種質(zhì)群體基因組信息進(jìn)行解析，構(gòu)建全球小麥單倍型圖譜，深度挖掘其潛在的、未被開發(fā)的基因資源和有利變異。結(jié)合英國歷史上的表型數(shù)據(jù)集合，形成了一套史無前例的小麥表型組矩陣。
在研究中，程時鋒團(tuán)隊和合作者們，已經(jīng)發(fā)掘并驗證了多種未被利用的優(yōu)異變異的功能和育種價值，比如挖掘到調(diào)控小麥高產(chǎn)、氮高效利用、適應(yīng)性和營養(yǎng)品質(zhì)的新基因和關(guān)鍵的有利變異位點等。
“沃氏小麥地方品種群體這一寶貴種質(zhì)資源的引入，將為拓寬我國小麥的遺傳基礎(chǔ)、提高我國小麥的遺傳多樣性奠定堅實的基礎(chǔ)?！敝袊茖W(xué)院院士李家洋說。
設(shè)計育種
在科學(xué)界，小麥基因組和遺傳育種研究被稱為作物界的“珠穆朗瑪峰”。這是因為小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，簡單來說，它有6套基因組，而水稻是2倍體，人類也是2倍體。也就是說普通小麥的基因組大小，大約是水稻的40倍、人類的5倍。
為破解小麥的遺傳密碼，研究團(tuán)隊與國際合作者一起，提出了一套小麥全基因組設(shè)計育種的策略，包括解碼、發(fā)現(xiàn)、設(shè)計和最終的實現(xiàn)。
“解碼，對引進(jìn)的小麥種質(zhì)群體基因組信息進(jìn)行解析?！背虝r鋒說，“發(fā)現(xiàn)就是通過現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，去鑒定那些優(yōu)異的遺傳基因，這個工作中，團(tuán)隊共鑒定出超過8000個遺傳效應(yīng)位點，并在這些遺傳效應(yīng)位點中，分析沃氏小麥所攜帶的有利變異?！?/p>
在解碼和發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊分析了各大性狀相互之間的相關(guān)性，量化什么樣的品系攜帶了什么樣的有利性狀和優(yōu)異遺傳變異。“并不是找到優(yōu)異基因就能開展聚合育種，因為性狀之間存在著千絲萬縷的關(guān)系，有的優(yōu)異性狀，可能和某些性狀有負(fù)相關(guān)性，比如產(chǎn)量高，但籽粒蛋白少，再如粒重變高，粒數(shù)卻變少等。這種現(xiàn)象在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，被稱為性狀間的拮抗關(guān)系，你想用好的，無意中也可能會帶來壞的。只有深度理解和精準(zhǔn)打破這一關(guān)系，才能在現(xiàn)代小麥育種中真正利用和聚合那些想要利用的優(yōu)異基因。”程時鋒說。
為此，科研團(tuán)隊開發(fā)了一系列相關(guān)的工具，如特定目標(biāo)性狀的遺傳位點定位、聚合和分子標(biāo)記輔助檢測工具等，這成了遺失優(yōu)異資源得以利用的基礎(chǔ)。在這些工具的幫助下，程時鋒團(tuán)隊和英國合作者，將發(fā)現(xiàn)的100余個高質(zhì)量的沃氏小麥親本所攜帶的特有的有利等位基因片段，通過雜交、回交的方式導(dǎo)入現(xiàn)代品種，形成了700多個單片段替換系，驗證和利用了沃氏小麥在產(chǎn)量、抗病、營養(yǎng)等性狀上，對于現(xiàn)代小麥育種巨大的利用價值，為未來精準(zhǔn)智能育種奠定基礎(chǔ)。
