挑战小麦基因 “珠穆朗玛峰”

来源: 科技日报 / 作者: 史俊斌 张 琳 / 时间: 2019-04-08
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人间四月,春意盎然,八百里秦川麦田碧绿如茵。明媚的春光下,孕穗期小麦随风摇曳,向人们演奏着丰收的乐曲。

最新数据显示,小麦提供人类的蛋白质超过了所有肉类的总和,中国是全球最大的小麦生产国和消费国。选育更多的优质小麦品种,是我国和全球小麦育种工作者的共同命题和期盼。

2018 年 8 月 17 日,美国《科学》杂志载文称世界上首个完整版六倍体小麦 “中国春” 基因组图谱完成。历时 13 年,由国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)牵头,来自 20 多个国家 70 多家机构的 200 多位科学家参与完成的这一科研成果轰动世界。其中,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完成了其中 7DL 染色体物理图谱构建及序列破译工作。

国际小麦基因组测序联盟主席、澳大利亚墨尔本大学小麦育种专家鲁迪 · 埃培尔斯评价该研究是 “征服了遗传学的‘珠穆朗玛峰’!” 攻克这一 “珠峰” 的战队中,宋卫宁团队是唯一的中国团队。

小麦基因有多大?它是人类基因组的 6 倍,是水稻基因组的 40 倍。有多复杂?小麦由 3 个不同的基因组绑在一块的,而且是几个不同的物种杂交在一块,几个基因组同时存在,其复杂程度不是简单的成倍,3 个基因组中大概 90% 多是相似的,仅小部分是不同的。重复序列含量有多高?人的基因组大概有 50% 的是重复序列,而小麦几乎达到 90%。长期以来,破译小麦基因组,被很多领域的科学家认为不可能完成。

2005 年,由全球小麦科学家组成的国际小麦基因组测序联盟向这一难题发起挑战。联盟的科学家们对 “中国春” 的 21 条染色体进行了分离,联盟各成员分别承担了相关物理图谱构建、细菌人工染色体测序和序列的组装与分析等工作。

这项国际性大协作研究工作,为何特别选用极富中国色彩的 “中国春” 品种?据宋卫宁介绍,“中国春”是种植在四川省成都平原的一个地方小麦品种。早在 20 世纪初,由传教士传入西方,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。于是,“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,同时也直接推动了黑麦、大麦、燕麦等其他近缘物种的遗传研究。

2006 年 2 月,宋卫宁从海外全职回到西北农林科技大学工作,任农学院博士生导师。在国外期间,宋卫宁就积极与国际小麦基因组测序联盟磋商,2006 年 7 月,宋卫宁代表西北农林科技大学加入 IWGSC,并成为该联盟决策委员会中唯一的中国成员。他的团队负责 7DL 染色体物理图谱构建及序列破译任务,这项工作能够确定 “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”。除此之外,该西农团队还参与了小麦全基因组两种不同物理图谱分析结果的整合,宋卫宁教授的名字也因此两次出现在《科学》杂志的论文作者名单中。

历时 13 年的努力,20 多个国家的科学家分头完成了物理图谱的构建。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。

“这是目前六倍体普通小麦最完整的基因组图谱了。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。” 宋卫宁表示,“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便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。”

“中国春” 基因组图谱的绘制完成,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。前不久,中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的 2018 年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻在北京揭晓,“历经 13 年小麦基因组图谱绘制完成” 获评 2018 年世界十大科技进展新闻。

国际小麦基因组测序协会指出,全球人口到 2050 年预计将达到 96 亿,小麦产量需每年增长 1.6% 才能满足未来需求。相信,小麦基因组图谱的绘制完成,可帮助人类培育出更多的抗旱、抗病和高产优质的小麦品种。

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