挑戰小麥基因“珠穆朗瑪峰”

張琳

人間四月，春意盎然，八百里秦川麥田碧綠如茵。明媚的春光下，孕穗期小麥隨風搖曳，向人們演奏著豐收的樂曲。

最新數據顯示，小麥提供人類的蛋白質超過了所有肉類的總和，中國是全球最大的小麥生產國和消費國。選育更多的優質小麥品種，是我國和全球小麥育種工作者的共同命題和期盼。

2018年8月17日，美國《科學》雜志載文稱世界上首個完整版六倍體小麥“中國春”基因組圖譜完成。歷時13年，由國際小麥基因組測序聯盟（IWGSC）牽頭，來自20多個國家70多家機構的200多位科學家參與完成的這一科研成果轟動世界。其中，西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室的宋衛寧教授團隊完成了其中7DL染色體物理圖譜構建及序列破譯工作。

國際小麥基因組測序聯盟主席、澳大利亞墨爾本大學小麥育種專家魯迪·埃培爾斯評價該研究是“征服了遺傳學的‘珠穆朗瑪峰！”攻克這一“珠峰”的戰隊中，宋衛寧團隊是唯一的中國團隊。

小麥基因有多大？它是人類基因組的6倍，是水稻基因組的40倍。有多復雜？小麥由3個不同的基因組綁在一塊，而且是幾個不同的物種雜交在一塊，幾個基因組同時存在，其復雜程度不是簡單的成倍，3個基因組中大概90%多是相似的，僅小部分是不同的。重復序列含量有多高？人的基因組大概有50%的是重復序列，而小麥幾乎達到90%。長期以來，破譯小麥基因組，被很多領域的科學家認為不可能完成。

2005年，由全球小麥科學家組成的國際小麥基因組測序聯盟向這一難題發起挑戰。聯盟的科學家們對“中國春”的21條染色體進行了分離，聯盟各成員分別承擔了相關物理圖譜構建、細菌人工染色體測序和序列的組裝與分析等工作。

這項國際性大協作研究工作，為何特別選用極富中國色彩的“中國春”品種？據宋衛寧介紹，“中國春”是種植在四川省成都平原的一個地方小麥品種。早在20世紀初，由傳教士傳入西方，20世紀四五十年代，美國著名學者西爾斯通過研究，從“中國春”衍生出一系列小麥染色體材料。于是，“中國春”成為小麥遺傳學最重要的遺傳材料和工具，促進了小麥細胞遺傳學的大發展，同時也直接推動了黑麥、大麥、燕麥等其他近緣物種的遺傳研究。

2006年2月，宋衛寧從海外全職回到西北農林科技大學工作，任農學院博士生導師。在國外期間，宋衛寧就積極與國際小麥基因組測序聯盟磋商，2006年7月，宋衛寧代表西北農林科技大學加入IWGSC，并成為該聯盟決策委員會中唯一的中國成員。他的團隊負責7DL染色體物理圖譜構建及序列破譯任務，這項工作能夠確定“這條染色體的許多區間，與小麥產量、種子大小、能否抵抗銹病等性狀有著密切關聯”。除此之外，該西農團隊還參與了小麥全基因組兩種不同物理圖譜分析結果的整合，宋衛寧教授的名字也因此兩次出現在《科學》雜志的論文作者名單中。

歷時13年的努力，20多個國家的科學家分頭完成了物理圖譜的構建。研究人員整合了21條小麥染色體的參考序列，獲得10.7萬個基因，超過400萬個分子標記，以及影響基因表達的序列信息。

“這是目前六倍體普通小麥最完整的基因組圖譜了。有了這本‘參考書，從前做不出來的實驗，現在就有可能做出來了。之前研究過的，還可以繼續做得更通透。”宋衛寧表示，“未來，我們還將繼續開展序列分析工作，將小麥基因組的進化、序列與分子育種、遺傳育種結合起來，培育高產、抗旱、抗鹽、抗病蟲的小麥新品種以便更好應對全球氣候變化及人口增加帶來的食品短缺挑戰，為小麥基因組改良工作奠定基礎。”

“中國春”基因組圖譜的繪制完成，使科學家對小麥生長發育規律的了解發生了質的飛躍，也為未來人類更好地利用小麥做了重要鋪墊。國際小麥基因組測序協會指出，全球人口到2050年預計將達到96億，小麥產量需每年增長1.6%才能滿足未來需求。相信，小麥基因組圖譜的繪制完成，可幫助人類培育出更多的抗旱、抗病和高產優質的小麥品種。