分子生物學(xué)在小麥栽培方面的研究和未來(lái)方向

曾圣然 尚禹

摘? ? 要：分子生物學(xué)是研究小麥生物特性和育種的重要工具。以了解分子生物學(xué)工具在小麥基因和性狀研究中的價(jià)值和預(yù)測(cè)小麥分子生物學(xué)研究未來(lái)的方向?yàn)橹饕康模ㄟ^(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的遍歷，論述了小麥的全基因組數(shù)據(jù)獲取和信息分析方法，揭示了分子生物學(xué)工具對(duì)于性狀改良方面的研究?jī)r(jià)值。分析認(rèn)為，小麥分子生物學(xué)未來(lái)的研究方向?qū)?huì)著眼于對(duì)小麥全基因組信息認(rèn)識(shí)、進(jìn)化特性方面，通過(guò)各類(lèi)方法誘導(dǎo)變異和轉(zhuǎn)基因雜交技術(shù)。

關(guān)鍵詞：小麥;分子生物學(xué);基因組;性狀;育種

文章編號(hào)： 1005-2690（2021）15-0022-02? ? ? ?中國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)： S512.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

小麥（學(xué)名：Triticum aestivum L.）是世界三大谷物之一，也是主要的糧食之一。小麥?zhǔn)呛瘫究菩←湻N植物的統(tǒng)稱(chēng)，是一種在世界各地廣泛種植的農(nóng)作物。小麥的麥粒是人類(lèi)的主食之一，磨成面粉后可制作面包、饅頭、餅干等食品;發(fā)酵后可制成啤酒、酒精、白酒。小麥富含淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)、鈣、鐵、維生素A及維生素C等物質(zhì)。小麥的生產(chǎn)對(duì)于人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

小麥?zhǔn)亲钤绫蝗祟?lèi)培育出來(lái)的農(nóng)作物之一，其栽培歷史可以追溯到7 000年前在中東地區(qū)的種植。小麥?zhǔn)橇扼w作物，其全基因組大小被預(yù)估為17Gb。現(xiàn)代亞細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)研究推測(cè)，小麥的染色體組成為AABBDD：其A基因供體來(lái)自烏拉圖小麥（一種野生的二倍體小麥）;B基因供體來(lái)自與擬斯貝爾托山羊草相似的一種未知雜草;D基因供體來(lái)自節(jié)節(jié)麥（一種山羊草屬野生植物）[1]。

小麥的全基因組測(cè)序目前由國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)合會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“IWGSC”）主導(dǎo)。經(jīng)過(guò)測(cè)序發(fā)現(xiàn)，小麥的所有基因都集中在7對(duì)A染色體（1A，2A，3A，4A，

5A，6A，7A），7對(duì)B染色體（1B，2B，3B，4B，5B，6B，7B）和7對(duì)D染色體（1D，2D，3D，4D，5D.6D，7D）上面[2]。

科學(xué)界對(duì)于小麥各類(lèi)編碼基因、轉(zhuǎn)錄本和變異類(lèi)型的研究都收獲頗豐。小麥基因組的科研成果在小麥育種和疾病防治上取得顯著成效。但是，小麥的基因還未被完全研究清楚，許多隱藏在DNA中的特異性片段有待被揭示。

1? ?小麥的全基因組測(cè)序研究進(jìn)展

小麥的分子生物學(xué)全基因組測(cè)序現(xiàn)由IWGCS承擔(dān)。由IWGCS數(shù)據(jù)可知，小麥DNA被發(fā)現(xiàn)的全基因組最佳路徑長(zhǎng)度（golden path length）為14 547 261 565，編碼基因?yàn)?07 891個(gè)[3]。

小麥的全基因組測(cè)序的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)小麥基因組序列信息和對(duì)這些信息梳理、收錄和為了解小麥的基因特性和對(duì)其性狀改良提供數(shù)據(jù)支撐。

研究小麥全基因組的第一步是獲得基因數(shù)據(jù)，但其基因的復(fù)雜性給傳統(tǒng)的測(cè)序方法帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為獲得有意義的小麥基因數(shù)據(jù)，科學(xué)家需進(jìn)行方法創(chuàng)新。Ramirezgonzalez R H和Caccamo M等人新開(kāi)發(fā)的Polymarker工具所設(shè)計(jì)引物能有效嵌合六倍體小麥基因組，并能探測(cè)到其中多樣的SNP（多核苷酸多態(tài)性）標(biāo)記。

除此之外，小麥的基因數(shù)量和堿基數(shù)量過(guò)于龐大，極大影響分析速度。為解決此問(wèn)題，Goyal A和Kwon H J等人則采用新的DRAGEN Bio-IT，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析速度達(dá)到了傳統(tǒng)的二代基因測(cè)序技術(shù)數(shù)據(jù)分析速度的50倍[4]。

為對(duì)原始小麥基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，有利于小麥全基因組研究的信息共享和科學(xué)發(fā)展，各類(lèi)小麥基因組數(shù)據(jù)庫(kù)也被建立起來(lái)。Hassanipak K和Esch M等將小麥基因組測(cè)序進(jìn)行分析并放在www.ondex.org和http：//knetminer.rothamsted.ac.uk上以供調(diào)閱[5]。Wilkinson P A， Winfield M O等人開(kāi)發(fā)出CerealDB數(shù)據(jù)庫(kù)，該庫(kù)可被用來(lái)分析小麥中SNP標(biāo)記[6]。

這些數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于方便同行查閱小麥基因信息，找到小麥基因中的SNP標(biāo)記，揭示小麥的生物學(xué)作用機(jī)制，提高產(chǎn)量、增強(qiáng)抗病性、增加營(yíng)養(yǎng)性和提高吸水效率，研究小麥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、粒徑、開(kāi)花和傳粉特性都具有重要作用。

2? ?分子生物學(xué)在小麥栽培上的實(shí)際運(yùn)用

小麥分子生物學(xué)對(duì)小麥抗病、抗旱、高產(chǎn)和提高谷物蛋白質(zhì)等性狀改良有所幫助。在小麥全基因組測(cè)序和測(cè)序圖譜的幫助下，育種人員可通過(guò)尋找數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）來(lái)找到小麥目標(biāo)性狀基因。

QTL對(duì)于小麥抗旱性狀的成因有很強(qiáng)大的解釋能力。研究人員發(fā)現(xiàn)，QTL的作用可解釋24.68%～35.21%的個(gè)體抗旱差異和78.03%的環(huán)境造成的抗旱能力差異[7]。對(duì)于谷物重量而言，位于1A染色體短臂、2B染色體短臂和7A染色體短臂1個(gè)QTL具有決定性作用。高密度遺傳連鎖圖譜是QTL精確定位的基礎(chǔ)。而由SNP和SSR（simple sequence repeat，簡(jiǎn)單重復(fù)序列）標(biāo)記組成的高密度遺傳連鎖圖，對(duì)于影響小麥特定性狀QTL的尋找具有很好效果。

3? ?小麥分子生物學(xué)工程的研究進(jìn)展

目前來(lái)看，未來(lái)小麥的基因研究將以國(guó)際合作交流為主，而研究重點(diǎn)會(huì)著眼于以下幾方面：更加清晰認(rèn)識(shí)小麥染色體所有基因的序列;了解小麥的進(jìn)化特性;通過(guò)物理、化學(xué)和生物學(xué)方法誘導(dǎo)小麥基因突變和染色體變異來(lái)進(jìn)行小麥育種;通過(guò)轉(zhuǎn)基因?qū)⒏鞣N植物優(yōu)良性狀的基因轉(zhuǎn)移到小麥上進(jìn)行育種。

首先，小麥基因組物理圖譜目前由多個(gè)國(guó)家的研究人員聯(lián)合承擔(dān)研究，其中，來(lái)自中國(guó)的西北農(nóng)林科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將負(fù)責(zé)7D長(zhǎng)臂基因的物理圖譜構(gòu)建，未來(lái)會(huì)有更多成果。

其次，小麥的祖先供體并沒(méi)有完全確定。確定小麥各基因組的真正供體和弄清小麥進(jìn)化路徑會(huì)成為未來(lái)的一個(gè)重要課題。

目前發(fā)現(xiàn)，節(jié)節(jié)麥（小麥D染色體可能祖先）DNA的大量相似的重復(fù)序列會(huì)導(dǎo)致基因重組錯(cuò)誤，而這種錯(cuò)誤可能正是小麥快速進(jìn)化的原因。進(jìn)化研究對(duì)于了解小麥經(jīng)濟(jì)性狀的發(fā)生歷史本身具有很大價(jià)值。

張歲岐、山侖和鄧西平[8]等人的研究表明，小麥的染色體進(jìn)化加倍過(guò)程伴隨著其水分利用效率的提高和根長(zhǎng)及根冠比的下降[9]。然后是利用物理、化學(xué)和生物的干涉造成小麥遺傳物質(zhì)改變。

物理干涉小麥變異的常用方法就是輻射育種（利用紫外光等改變小麥的遺傳物質(zhì)）。目前，輻射雜交的作用體主要是D染色體，相關(guān)的研究也正在有序開(kāi)展，輻射雜交所產(chǎn)生的效果可以被用來(lái)繪制基因圖譜。

化學(xué)方法對(duì)此也有很大的研究空間。例如，利用不同濃度的磺胺靈處理小麥可以造成小麥染色體的異常變化，而且處理時(shí)間的不同對(duì)于小麥染色體結(jié)構(gòu)變異的影響大于處理濃度[10]。

生物學(xué)的處理也可以造成小麥染色體和基因的變異。例如，λDNA在小麥從萌動(dòng)期到二葉期的導(dǎo)入處理亦可引起小麥的染色體變異[11]。

最后，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在未來(lái)可能會(huì)被開(kāi)發(fā)成熟并用于實(shí)際生產(chǎn)。Schneider A等人發(fā)現(xiàn)，他們可以將山羊草屬植物的許多基因有效地轉(zhuǎn)移到栽培小麥上，包括抗葉銹病、莖銹病、黃銹病和白粉病的基因[12]。

除了對(duì)親緣異種植物的轉(zhuǎn)基因研究外，遠(yuǎn)緣植物特定基因?qū)π←溵D(zhuǎn)基因也正在展開(kāi)。例如，陳緒清等人[13]將玉米的C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧酶基因（可提高植物光合速率）成功轉(zhuǎn)入小麥體內(nèi)，并完成了轉(zhuǎn)錄和翻譯[14]。

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