繪制壯觀的小麥基因組圖譜

編譯 聞心

在美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)圣保羅校區(qū)邊緣的一個(gè)田野里，6名學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員凝望著昏暗的天空。這場(chǎng)即將來(lái)臨的暴風(fēng)雨可能會(huì)使8月的高溫有所緩解，但它卻不利于這些小麥的收獲。他們穿梭于一排排的小麥垅，剪掉了大約100個(gè)尖尖的麥穗頭，把它們放在一個(gè)塑料容器里，然后帶回到停在田邊的一輛卡車(chē)?yán)铩Ｋ麄儼压任锇b好，貼上標(biāo)簽，裝進(jìn)卡車(chē)?yán)铮缓筮\(yùn)回詹姆斯·安德森（James Anderson）的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

這位長(zhǎng)期從事小麥育種的研究者希望能從中找到一種小麥種子：沒(méi)有白堊狀的白色真菌（這種真菌分泌的毒素會(huì)導(dǎo)致小麥鐮刀菌枯萎病）。進(jìn)而尋找新的基因，使小麥能夠抵抗世界上最具毀滅性的植物病害之一。安德森負(fù)責(zé)該大學(xué)的小麥育種項(xiàng)目，這是美國(guó)致力于通過(guò)傳統(tǒng)育種來(lái)改善作物的幾十個(gè)育種項(xiàng)目之一。由于基因技術(shù)的發(fā)展，這樣的項(xiàng)目也越來(lái)越多了，而安德森可以利用的研究工具也日益增多。

在近期發(fā)表的一份研究報(bào)告中，一個(gè)由200多名研究人員組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)展示了第一個(gè)高質(zhì)量、完整的面包小麥基因組序列。就像一幅巨大的基因組物理圖譜——小麥的DNA比人類(lèi)多5倍——完整注釋的序列涉及107 000個(gè)基因位點(diǎn)，21條染色體展示了400多萬(wàn)個(gè)基因標(biāo)記。對(duì)于養(yǎng)活了世界1/3人口的農(nóng)作物來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)里程碑事件，與9 000年前人類(lèi)首次種植小麥的那一天一樣，有著同樣的劃時(shí)代意義。

國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟（IWGSC）是一個(gè)公私合作的研究團(tuán)隊(duì)，組建于2005年。通過(guò)十多年的努力，完成了這個(gè)序列的繪制。該團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人凱勒葉·埃弗索爾（Kellye Eversole）說(shuō)：“我們認(rèn)為，讓育種者利用我們提供的信息來(lái)研發(fā)更適合當(dāng)?shù)氐钠贩N，是未來(lái)養(yǎng)活人口的基礎(chǔ)。”

像安德森這樣的育種項(xiàng)目一直在尋找小麥新品種，以滿(mǎn)足種植者面臨嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境變化的需求。2011年發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一項(xiàng)研究表明，氣溫上升已經(jīng)導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降。而最近在《自然》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，這種趨勢(shì)只會(huì)變得更糟，溫度每上升1華氏度就會(huì)導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降5%。

那么，什么樣的性狀能使小麥變得更好呢？炎熱氣候條件下的生長(zhǎng)能力是一種優(yōu)勢(shì)，還要有較強(qiáng)的抗病性。但是種植者還關(guān)心其他方面。安德森說(shuō)：“在選擇品種時(shí)，他們首先考慮的是產(chǎn)量，其次是耐倒伏性，再次是蛋白質(zhì)含量。”育種者必須謹(jǐn)慎地把握這些特征，并和其他特征進(jìn)行平衡，比方營(yíng)養(yǎng)。

在安德森的實(shí)驗(yàn)室里，研究的重點(diǎn)是赤霉病抗性，這意味著需要在試驗(yàn)田中噴灑真菌孢子，并觀察哪些單株不會(huì)死亡。在3年前，他開(kāi)始使用基因測(cè)序技術(shù)來(lái)幫助培養(yǎng)更多的幸存單株。

他的研究團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)田收獲了所謂的“訓(xùn)練種群”：500棵被選單株可反映一個(gè)總數(shù)為2500棵的種群（它們的基因組測(cè)序已經(jīng)完成）。通過(guò)遺傳數(shù)據(jù)與實(shí)際表型特征結(jié)合起來(lái)，安德森可以更好地預(yù)測(cè)哪些植物將有最好的抗病能力，以及哪些遺傳序列會(huì)賦予這種表型特征。

近期公布的這一序列，涵蓋了94%的基因組（更早的版本為61%），更有助于將特定的性狀與特定的基因聯(lián)系起來(lái)，從而著手對(duì)其調(diào)整。

接下來(lái)的問(wèn)題是，如何進(jìn)行調(diào)整？與玉米、大豆和油菜不同，目前還沒(méi)有人將轉(zhuǎn)基因小麥商業(yè)化。安德森曾與孟山都公司合作開(kāi)發(fā)一種抗“農(nóng)達(dá)”小麥（抗除草劑轉(zhuǎn)基因小麥），但這家跨國(guó)公司在2004年退出了這一合作關(guān)系。安德森說(shuō)：“這主要受文化影響，當(dāng)時(shí)的世界還沒(méi)有準(zhǔn)備好接受，而現(xiàn)在大概還是這樣。”長(zhǎng)久以來(lái)，美國(guó)小麥的一些最大進(jìn)口國(guó)——?dú)W洲和日本——一直是對(duì)轉(zhuǎn)基因食品持?jǐn)硨?duì)態(tài)度的國(guó)家。

像CRISPR、鋅指和TALENs這樣的新技術(shù)也面臨著同樣的文化阻力，或者像第一代轉(zhuǎn)基因生物一樣，也要面臨各種繁文縟節(jié)。不過(guò)，美國(guó)農(nóng)業(yè)部于2018年3月宣布，不再對(duì)基因編輯技術(shù)導(dǎo)致突變的農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)管，因?yàn)檫@類(lèi)突變類(lèi)似傳統(tǒng)育種過(guò)程，只要沒(méi)有遠(yuǎn)距離引入遺傳物質(zhì)，就可不用監(jiān)管。

新的基因圖譜將加速新型轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的研發(fā)，不僅限于傳統(tǒng)育種項(xiàng)目的作物。就像大多數(shù)基因組工作一樣，新的小麥基因組圖譜為未來(lái)研究提供了足夠的支撐和細(xì)節(jié)。

資料來(lái)源 Wired