首個(gè)完整版六倍體小麥“中國春”基因組圖譜完成

史俊斌　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(fēng)搖曳，向人們演奏著豐收的樂曲。

最新數(shù)據(jù)顯示，小麥提供人類的蛋白質(zhì)超過了所有肉類的總和，我國是全球最大的小麥生產(chǎn)國和消費(fèi)國。選育更多的優(yōu)質(zhì)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(xué)》雜志載文稱世界上首個(gè)完整版六倍體小麥“中國春”基因組圖譜完成。歷時(shí)13年，由國際小麥基因組測序聯(lián)盟（IWGSC）牽頭，來自20多個(gè)國家、70多家機(jī)構(gòu)的200多位科學(xué)家參與完成的這一科研成果轟動世界。其中，西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)完成了其中7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作。

?國際小麥基因組測序聯(lián)盟主席、澳大利亞墨爾本大學(xué)小麥育種專家魯?shù)蟕埃培爾斯評價(jià)該研究是“征服了遺傳學(xué)的‘珠穆朗瑪峰’”，攻克這一“珠峰”的戰(zhàn)隊(duì)中，宋衛(wèi)寧團(tuán)隊(duì)是唯一的中國團(tuán)隊(duì)。

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(fù)雜？小麥?zhǔn)怯?個(gè)不同的基因組綁在一塊的，而且是幾個(gè)不同的物種雜交在一塊，幾個(gè)基因組同時(shí)存在，其復(fù)雜程度不是簡單的成倍，3個(gè)基因組中大概90%是相似的，僅小部分是不同的。重復(fù)序列含量有多高？人的基因組大概有50%的是重復(fù)序列，而小麥幾乎達(dá)到90%。長期以來，破譯小麥基因組，被很多領(lǐng)域的科學(xué)家認(rèn)為不可能完成。

2005年，由全球小麥科學(xué)家組成的國際小麥基因組測序聯(lián)盟向這一難題發(fā)起挑戰(zhàn)。聯(lián)盟的科學(xué)家們對“中國春”的21條染色體進(jìn)行了分離，聯(lián)盟各成員分別承擔(dān)了相關(guān)物理圖譜構(gòu)建、細(xì)菌人工染色體測序和序列的組裝與分析等工作。

這項(xiàng)國際性大協(xié)作研究工作，為何特別選用極富中國色彩的“中國春”品種？據(jù)宋衛(wèi)寧介紹，“中國春”是種植在四川省成都平原的一個(gè)地方小麥品種，早在20世紀(jì)初，由傳教士傳入西方，20世紀(jì)四五十年代，美國著名學(xué)者西爾斯通過研究，從“中國春”衍生出一系列的小麥染色體材料。于是，“中國春”成為小麥遺傳學(xué)最重要的遺傳材料和工具，促進(jìn)了小麥細(xì)胞遺傳學(xué)的大發(fā)展，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(wèi)寧從海外辭職回到西北農(nóng)林科技大學(xué)工作，任農(nóng)學(xué)院博士生導(dǎo)師。在國外期間，宋衛(wèi)寧就積極與國際小麥基因組測序聯(lián)盟磋商，2006年7月，宋衛(wèi)寧代表西北農(nóng)林科技大學(xué)加入IWGSC，并成為該聯(lián)盟決策委員會中唯一的中國成員。他的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯任務(wù)，這項(xiàng)工作能夠確定“這條染色體的許多區(qū)間，與小麥產(chǎn)量、種子大小、能否抵抗銹病等性狀有著密切關(guān)聯(lián)”。除此之外，團(tuán)隊(duì)還參與了小麥全基因組兩種不同物理圖譜分析結(jié)果的整合，宋衛(wèi)寧教授的名字也因此兩次出現(xiàn)在《科學(xué)》雜志的論文作者名單中。

歷時(shí)13年的努力，20多個(gè)國家的科學(xué)家分頭完成了物理圖譜的構(gòu)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(gè)基因，超過400萬個(gè)分子標(biāo)記，以及影響基因表達(dá)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(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在就有可能做出來了。之前研究過的，還可以繼續(xù)做得更通透。”宋衛(wèi)寧表示，“未來，我們還將繼續(xù)開展序列分析工作，將小麥基因組的進(jìn)化、序列與分子育種、遺傳育種結(jié)合起來，培育高產(chǎn)、抗旱、抗鹽、抗病蟲的小麥新品種以便更好應(yīng)對全球氣候變化及人口增加帶來的食品短缺挑戰(zhàn)，為小麥基因組改良工作奠定基礎(chǔ)。”

“中國春”基因組圖譜的繪制完成，使科學(xué)家對小麥生長發(fā)育規(guī)律的了解發(fā)生了質(zhì)的飛躍，也為未來人類更好地利用小麥做了重要鋪墊。前不久，中國科學(xué)院院士和中國工程院院士投票評選的2018年中國十大科技進(jìn)展新聞、世界十大科技進(jìn)展新聞在北京揭曉，《歷經(jīng)13年小麥基因組圖譜繪制完成》獲評2018年世界十大科技進(jìn)展新聞。

國際小麥基因組測序協(xié)會指出，全球人口到2050年預(yù)計(jì)將達(dá)到96億，小麥產(chǎn)量需每年增長1.6%才能滿足未來需求。小麥基因組圖譜的繪制完成，可幫助人類培育出更多抗旱、抗病和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的小麥品種。