11月28日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所小麥基因挖掘與利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外科研院校，在基因組水平全面展示了20世紀(jì)50年代以來中國小麥育種歷史，揭示了不同層次的結(jié)構(gòu)變異對(duì)小麥適應(yīng)性和育種的影響，為全球種質(zhì)資源的整合和利用，未來小麥智能設(shè)計(jì)育種提供了重要基因組支撐以及新的視角和策略。相關(guān)研究成果以研究長文的形式在線發(fā)表于《自然（Nature）》。

 

　　據(jù)張學(xué)勇研究員介紹，小麥?zhǔn)俏覈鴥H次于水稻的主糧作物。小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，含有三個(gè)功能相似、染色體間可發(fā)生互換的亞基因組（A，B，D），賦予了其基因組很好的彈性和韌性，能夠更好地耐受基因的丟失、重復(fù)、倒位、易位等結(jié)構(gòu)變異沖擊。對(duì)代表性小麥品種的基因組進(jìn)行分析，揭示其基因組水平的演進(jìn)規(guī)律，對(duì)未來小麥育種將有一定的指導(dǎo)意義。

 

　　研究人員從我國近70年育成的5000多個(gè)小麥品種中篩選出有代表性的17個(gè)品種，從頭組裝它們?nèi)旧w水平的高質(zhì)量基因組，并對(duì)精準(zhǔn)鑒定出的近25萬個(gè)結(jié)構(gòu)變異分析，發(fā)現(xiàn)跨著絲粒區(qū)域是小麥品種分化的核心區(qū)域。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這17個(gè)中國小麥品種展現(xiàn)出的遺傳多樣性遠(yuǎn)高于全球其它國家近30年育成品種。研究推斷，這是由于我國小麥商業(yè)化育種發(fā)展相對(duì)較慢，一定程度保留了其品種的遺傳多樣性、維持小麥品種較高的韌性。這為未來作物育種體制的調(diào)整提供了參考。

 

　　為進(jìn)一步探索小麥品種對(duì)環(huán)境變化的高度適應(yīng)性及遺傳基礎(chǔ)，解析小麥“春性”與“冬性”的轉(zhuǎn)變和演化。研究人員通過分析春化基因VRN-A1拷貝數(shù)變異情況，發(fā)現(xiàn)小麥的祖先種如野生四倍體、栽培四倍體完全是“春性”類型，而普通小麥中出現(xiàn)“冬性”突變和VRN-A1基因的拷貝數(shù)變異，繼而呈現(xiàn)“冬性”—即抗寒性強(qiáng)弱的變化。研究還發(fā)現(xiàn)，基因變異后拷貝數(shù)越高，品種抗凍害能力越強(qiáng)。但是與地方品種相比，現(xiàn)代品種中該基因拷貝數(shù)降低，推測(cè)這可能與最近100年氣候變暖密切相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了小麥品種適應(yīng)性的遺傳基礎(chǔ)，為未來小麥廣適性育種提供理論指導(dǎo)。

 

　　研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)了不同地區(qū)小麥品種籽粒硬度變化的演進(jìn)規(guī)律。研究表明，小麥籽粒硬度受 Ha 基因控制，而該基因突變或丟失，品種籽粒就會(huì)變硬。在我國近70年人工選擇和自然選擇雙重作用下，西北、華北小麥品種含 Ha 基因突變的頻率顯著高于東南、西南地區(qū)小麥品種，這與我國居民“北硬”“南軟”的飲食習(xí)慣密切相關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)說明小麥品種既是生產(chǎn)要素、也是飲食文化的重要載體。

 

　　劉旭院士認(rèn)為，中國小麥種質(zhì)資源和重大品種形成和演變規(guī)律的研究，前后經(jīng)過了三個(gè)大的階段，第一個(gè)階段是重要基因的等位變異分析，第二階段是單倍型和單倍型區(qū)段的研究，第三個(gè)階段是大的基因組結(jié)構(gòu)變異對(duì)重要性狀形成的影響，也是該研究的主要內(nèi)容。標(biāo)志著我國小麥的基礎(chǔ)研究逐步邁入世界領(lǐng)先水平。此項(xiàng)工作必將推動(dòng)我國作物種質(zhì)資源的研究正式進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，加速重要基因的挖掘與利用研究。

 

　　孫其信院士認(rèn)為，該研究構(gòu)建了迄今為止規(guī)模最大、質(zhì)量最高的小麥泛基因組，是一項(xiàng)里程碑式的進(jìn)展。這一工作成功解讀了小麥廣泛環(huán)境適應(yīng)性和品質(zhì)形成背后的“基因密碼”，所揭示的豐富結(jié)構(gòu)變異反映了小麥基因組高度的可塑性。該研究是近年來作物學(xué)研究與大數(shù)據(jù)交叉融合攻關(guān)的范例，研究成果也將為智能設(shè)計(jì)育種提供重要基因組支撐和理論指導(dǎo)。

 

　　該研究由作科所聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、澳大利亞莫道克大學(xué)等單位共同完成。作科所博士研究生焦成智、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生謝小明、作科所郝晨陽研究員和天津極智生物科技有限公司陳力揚(yáng)為論文共同第一作者，作科所張學(xué)勇研究員、中國農(nóng)大郭偉龍教授和澳大利亞莫道克大學(xué)Rajeev K. Varshney教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08277-0