你是否曾好奇過，我們餐桌上那一片片面包，隱藏著怎樣的科學奧秘？作為人類獲取能量和營養(yǎng)的重要來源，小麥不僅是全球最主要的糧食作物之一，更是農(nóng)業(yè)科學家們研究的焦點。
面對當前全球人口不斷增長、環(huán)境氣候復(fù)雜多變和小麥新品種培育的遺傳增益效應(yīng)逐漸減緩等一系列挑戰(zhàn)，科學家亟需找到一條高效、精準的小麥育種之路，以培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的小麥新品種，保障糧食安全和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)。
6月17日，中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的程時鋒團隊聯(lián)合國內(nèi)外多家單位在國際頂尖期刊《自然》上發(fā)表了最新研究成果，揭示了全球百年小麥種質(zhì)資源的多樣性，為小麥精準設(shè)計育種提供了重要支持。這是國際“谷-豆”計劃開展以來的重要成果，是全球小麥科學研究工作的一大里程碑，為全球農(nóng)業(yè)科技發(fā)展貢獻了中國智慧和中國力量。
古麥今用：尋回丟失的遺傳多樣性
這項研究對小麥基礎(chǔ)科研和育種應(yīng)用的重要意義，要從過去一個世紀的農(nóng)業(yè)綠色革命說起。開始于20世紀60-70年代的農(nóng)業(yè)綠色革命，主要集中在通過培育和推廣半矮稈稻麥品種來提高作物適應(yīng)化肥施用量的增加、減少倒伏的能力，通過提高收獲指數(shù)從而顯著提高產(chǎn)量。
然而，育種過程中偏好性選擇那些控制矮桿和能顯著提高收獲產(chǎn)量的特定基因，會忽略大量的其它可能有益的遺傳變異，遺傳范圍狹窄的單一品種的選育、雜交和推廣，會導(dǎo)致小麥現(xiàn)代品種多樣性的丟失，遺傳多樣性頻譜過于狹窄，使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，不利于應(yīng)對復(fù)雜的病蟲害和氣候變化的影響。
沃氏小麥地方品種資源由英國植物學家A.E. Watkins于20世紀二三十年代通過廣泛的國際貿(mào)易于全世界各地收集而來；在21世紀的過去幾十年，經(jīng)過多年的調(diào)查和鑒定,確定其中827份為核心種質(zhì)，廣泛用于研究。這827份地方品種主要來源于歐洲、亞洲和非洲的32個國家。這套材料的收集時間為綠色革命之前，這一時間點對現(xiàn)代小麥育種具有特別重要的意義。
從歷史上看，養(yǎng)活當?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?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（例如，主要抗病基因），通過現(xiàn)代品種與地方品種進行異花授粉，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)、科學和經(jīng)濟上的挑戰(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，并進行一系列目標基因的功能性驗證和育種價值的確認。
2018-2019年期間，程時鋒團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)性情況進行了全面摸底，并對其在我國不同生態(tài)區(qū)的表現(xiàn)進行了系統(tǒng)鑒定。結(jié)合英國歷史上完成的表型數(shù)據(jù)集合，形成了一套史無前例的小麥表型組矩陣。通過與現(xiàn)代品種的比較，研究者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代小麥品種的遺傳多樣性下降了至少60%，且主要來源于沃氏小麥地方品種中的兩個祖先群體，而其他五個祖先群體則包含了大量未被利用的遺傳變異。
致敬前輩：沃氏小麥并非第一次大規(guī)模引種
沃氏小麥地方品種的引進并非中國第一次大規(guī)模引進國外小麥品種，而是繼承了國內(nèi)前輩們的工作。在20世紀初，農(nóng)業(yè)學家沈宗瀚先生在中國已經(jīng)開始了系統(tǒng)的小麥品種引進和雜交試驗工作。1932年，沈宗瀚先生組織購進英國小麥專家潘希維爾(John Percival)收集的一套共1700多份品種的全球小麥種質(zhì)資源（Percival Collection，潘氏小麥）。這是中國第一次大規(guī)模從國外引進小麥品種資源的重要事件。以這份重要的種質(zhì)資源為父母本，通過與中國地方品種進行雜交、篩選，選育出了一系列優(yōu)良小麥新品種并廣泛推廣。這些歷史事件表明，中國的小麥品種改良和引進工作有著悠久和系統(tǒng)的傳統(tǒng)。
遺憾的是，由于戰(zhàn)亂及保藏管理條件等問題，不管是在英國，還是在中國，整個原始的潘氏小麥種質(zhì)資源均全部遺失，在英國也僅僅剩下原始的植物標本。研究團隊于2018-2019年期間引進的沃氏小麥地方品種包括了118份來源于中國的百年前的地方品種，如收集于崇德、北京，重慶，上海，漢口，濟南，洞庭湖等地，經(jīng)過一個世紀的風雨飄搖經(jīng)由英國的異地保存重新又回到了中國。
通過對這些歷史遺傳資源的研究和應(yīng)用，有助于提升現(xiàn)代小麥育種的多樣性和適應(yīng)性，為應(yīng)對未來農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)提供更堅實的基礎(chǔ)。由于大量性狀的田間調(diào)查和分析，團隊發(fā)掘了性狀間的遺傳互作關(guān)系，特別是性狀之間生理上的拮抗關(guān)系（負相關(guān)性），如產(chǎn)量與花期適應(yīng)，產(chǎn)量與籽粒蛋白質(zhì)含量，生物量與收獲指數(shù)，粒重與單株粒數(shù)等。如何系統(tǒng)地從遺傳上理解和解除這些關(guān)鍵性狀的拮抗關(guān)系，是未來進一步聚合不同來源優(yōu)良性狀的至關(guān)重要的一步，也是小麥基因組設(shè)計育種的重要基礎(chǔ)。
求真致用：4D策略打通從基因組到育種的精準設(shè)計之路
在大量的國際種質(zhì)資源引進國內(nèi)后，研究團隊與國際合作者一道，提出了小麥全基因組設(shè)計育種的4D策略（Decode解碼，Discover發(fā)現(xiàn)，Design設(shè)計， Deliver實現(xiàn)），為真正實現(xiàn)小麥從基因組到育種（G2B，Genome to breeding）的全鏈條貫通提供了系統(tǒng)解決方案和必要的工具。
解碼：全面開展多樣性種質(zhì)資源的遺傳和表型變異圖譜繪制工作，對引進的小麥種質(zhì)群體基因組信息進行解析，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。研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代小麥的遺傳多樣性十分狹窄，沃氏小麥有67%的特有變異未被現(xiàn)代小麥育種利用。
發(fā)現(xiàn)：通過聯(lián)合QTL作圖、自然群體和NAM群體的全基因關(guān)聯(lián)分析，團隊共鑒定出超過8000個遺傳效應(yīng)位點（下圖），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。
圖：大規(guī)模小麥性狀和相關(guān)遺傳位點發(fā)掘，及性狀相互之間生理互作關(guān)系
設(shè)計：在解碼和發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，團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，并致力于打破性狀之間的拮抗連鎖關(guān)系（trade-off），開發(fā)了高密度基因芯片以及一系列特定目標性狀的遺傳位點定位、聚合和分子標記輔助檢測工具，為育種應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。
實現(xiàn)：研究團隊聯(lián)合英國各個團隊一道將發(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（QTL位點）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，為未來精準智能育種奠定基礎(chǔ)。
據(jù)介紹，這一成果理論和實踐相結(jié)合，是近年來我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域國際合作的一個成功案例，實現(xiàn)了“技術(shù)走出去”與“資源引進來”的有機結(jié)合，合作成果受到國際同行的一致好評。在此基礎(chǔ)上，程時鋒團隊正在與歐洲、美國和國際玉米小麥研究中心開展合作、擴大合作范圍、深化合作內(nèi)容，先后共同發(fā)起了“GlobalWheatG2B”等國際合作項目，繼續(xù)加強全球小麥種質(zhì)資源的引進和本地化，持續(xù)為我國小麥育種產(chǎn)業(yè)注入新的血液，服務(wù)我國小麥種業(yè)發(fā)展與振興。
