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看似普通的小麦,这次却搞出了大动静,登上全球科学界的关注榜。
20余个国家、70多家机构,200多位科学家,在国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)的牵头下,花费13年时间,才终于完成了这部令人惊叹的“密典”——这就是世界上首个完整版六倍体小麦“中国春”的基因组图谱。
这项被澳大利亚墨尔本大学小麦育种专家鲁迪·埃培尔斯评价为“征服了遗传学‘珠穆朗玛峰’”的研究成果,8月17日被全世界最权威的学术期刊之一《科学》在线发布。
一部小麦基因的“密码本”,究竟有些什么内容?为何能引发如此关注?它又能用来做些什么?西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室的宋卫宁教授团队,是参与这一基因组图谱破译工作的唯一中国团队。
“这一研究的意义,类似对人类基因密码的破解:有了小麦的基因组图谱,小麦的育种、遗传研究,就可以向前推进一大步。”宋卫宁告诉中国青年报·中青在线记者:小麦倒不倒伏、耐不耐旱、种子是大还是小、营养价值高不高,“都和它有关”。
小麦是世界上种植最广泛的谷物之一。人们用它来加工面包、馒头、面条、啤酒等,养活了世界上40%的人口。尤其是在中国,这个世界最大的小麦生产与消费国,年种植小麦面积有2400万公顷左右、产量近1.3亿吨。
然而很多人并不知道,与人类关系如此密不可分的小麦却有着极其特殊的身份:它是唯一一个尚未完成全基因组测序的物种。
究其原因,有些意外:看似普通的小麦,其基因组的体量却非常庞大——是人类基因组的5倍、水稻基因组的40倍。同时,作为典型的异源多倍体,小麦基因组内的重复序列极高——包含3套非常相似的染色体,“破译难度非常之巨大”。
正因如此,“小麦基因组测序”曾被媒体戏称为“噩梦般的挑战”。就连IWGSC执行主任凯利·埃弗索尔也在一份公开声明中表示:绘制小麦基因组图谱,曾被视为“不可能完成的任务”。
对于研究者来说,基因组图谱的缺乏就像横亘在两座山峰间的“天堑”,使得小麦育种者很难跟踪小麦基因的“代序传递”。而对试图改变其特定DNA序列的基因工程师,更是“老虎吃天,无处下爪”。
2005年,IWGSC向这一难关发起挑战。2006年,宋卫宁教授加入攻关“舰队”。
这样的国际性研究,为何选定“中国春”品种?宋卫宁介绍,“中国春”是种植在四川省成都平原的一个地方品种。早在20世纪初,通过传教士传入西方。上世纪四五十年代,美国著名学者西尔斯通过研究,从“中国春”衍生出一系列小麦染色体材料。
“这使得‘中国春’成为小麦遗传学最重要的遗传材料和工具,促进了小麦细胞遗传学的大发展。”也正因此,小麦成为那个年代的模式作物,同时也直接推动了黑麦、大麦、燕麦等其他物种的遗传研究。
在各国科学家努力下,一项又一项令人振奋的成果先后面世。事实一次次证明:“珠峰”也并非高不可攀。
事实上,在小麦测序研究领域科学家们的不断努力下,令人振奋的成果也一项项先后问世:2008年,法国农科院研究团队发布了小麦染色体中最大的一条——3B染色体的物理图谱;2013年,中科院遗传发育所和中国农科院作物所分别完成小麦祖先A和D基因组草图;2017年,IWGSC宣布:小麦品系“中国春”染色体物理图谱构建完成;同年,美国加州大学戴维斯分校研究团队获得小麦祖先D基因参考序列……
对于世界首个六倍体小麦基因组图谱来说,由于基因组体量大、重复序列含量高,“不得不采取‘分而治之’的策略。”宋卫宁表示,“研究所采取的技术路线,是‘分离染色体—建立BAC(细菌人工染色体)文库—构建物理图谱—测序’。”
首先,依照大小、长短,将所有染色体统一进行分离。“中国春”的21条染色体,共分为3组,名为A组、B组和D组。每组内,含有7条染色体,依照数字编码为1A、2A、3A等。每条染色体,还可拆分为长臂和短臂。
染色体的最初分离,与细菌人工染色体文库的构建,由捷克的研究团队负责。之后,由IWGSC协调委员会牵头,各国成员依照自身条件“一段段认领”,再分头完成后续的物理图谱构建和细菌人工染色体测序(BAC测序)。
最终,20多个国家的科研人员,分头完成了物理图谱的构建。在这一浩大工程中,研究人员整合了21条小麦染色体的参考序列,获得10.7万个基因,超过400万个分子标记,以及影响基因表达的序列信息。
宋卫宁团队负责的,是对小麦染色体“7D中长臂”的破译。目前,能够确定“这条染色体的许多区间,与小麦产量、种子大小、能否抵抗锈病等性状有着密切关联”。
“小麦‘7D中长臂’的破译,是一个全新探索,没有经验可循。”宋卫宁说,仅“7D中长臂”染色体的大小,就已相等于整个水稻的基因组大小。不仅如此,其物理图谱构建及序列组装、分析和破译的工作量,也远远超过了相应的水稻基因组。
“参与此次研究的师生数量,可以坐满整整一节车厢。”宋卫宁打了个形象的比方。在西北农林科技大学为团队提供的科研支持下,团队成员基本没有节假日、寒暑假的概念,全力投入海量数据的测序和破译工作。
“中国春”基因组图谱的绘制完成,“可以说获得了研究小麦的一个‘密码本’。”宋卫宁表示,它使科学家对小麦生长发育规律的了解发生了质的飞跃,也为未来人类更好地利用小麦做了重要铺垫。
“有了这本‘参考书’,从前做不出来的实验,现在就有可能做出来了。之前研究过的,还可以继续做得更通透。”迄今为止,针对这一基因组,联盟成员和其他研究人员已发表论文100多篇。
与此同时,新的发现也已开始起作用。例如,比利时植物遗传学家安杰·罗德报告称,其研究小组确定了导致小麦发芽延迟的关键基因,他们希望使用技术令该基因失效,从而缩短育种周期;美国加州大学戴维斯分校的乔治·杜布佐夫斯基教授,则在最近发现了一种新的小麦高度基因……
“未来,我们还将继续开展序列分析工作,将小麦基因组的进化、序列与分子育种、遗传育种结合起来,培育高产、抗旱、抗盐、抗病虫的小麦新品种,以更好应对全球气候变化及人口增加带来的食品短缺挑战,为小麦基因组改良工作奠定基础。”宋卫宁表示。
李晓春 中国青年报·中青在线记者 孙海华