科學家成功破解小麥的遺傳密碼,將極大促進育種步伐

三夏季節,全國3億畝小麥正在緊張地收穫中,和過去相比,小麥產量越來越高,但很少有人瞭解,小麥卻正在變得越來越脆弱。

從上世紀初開始,以工業氮肥為代表的化肥革命、以矮稈化為代表的農業綠色革命,急劇改變了小麥1萬年的馴化史和全球小麥遺傳多樣性組成。短短100年間,高產、化肥適應性更好的新品種風行全球,替代了豐富多樣的地方品種。

然而,小麥產量快速提高的同時,生物多樣性也在快速消失。100年後的今天,多樣性匱乏的結果逐漸顯現,面對急劇變化的全球氣候,小麥這個全球30多億人的主食,正在面臨著重重危機。

找回100年中消失的遺傳多樣性,是解決未來危機的重要途徑。6月17日23時,國際頂尖期刊《自然(Nature)》刊登了中國農業科學院深圳農業基因組研究所聯合國內外多家優勢單位完成的最新研究成果。該研究構建了目前最全面的小麥群體基因組變異圖譜、表型組變異圖譜,並進一步結合豐富的群體遺傳資源,開展了系統的小麥性狀和基因發掘研究,打通了小麥從基因組解碼到育種設計的全鏈條貫穿體系。

百年之間,消失的小麥基因

小麥是最大的全球性糧食作物之一,這個發源於西亞兩河流域的作物,從1萬年前被馴化開始,就成了人類獲取能量和營養的重要來源,從中亞到東亞,從南美到北歐,世界40%以上的人,以小麥為主食。而在全球傳播的過程中,小麥逐漸適應各個地方的環境,形成了豐富多樣的地方品種。

小麥是最大的全球性糧食作物之一。圖為2024年5月,北京一處即將成熟的麥田。新京報記者 周懷宗 攝小麥是最大的全球性糧食作物之一。圖為2024年5月,北京一處即將成熟的麥田。新京報記者 周懷宗 攝

然而,僅僅百年,眾多的地方品種就幾乎消失殆盡,中國農科院基因組所研究員程時鋒介紹,全球小麥看似品種非常多,但現代育種中,其攜帶的遺傳資源,在不斷地單一化,「尤其是上世紀六七十年代開始的綠色革命中,主要集中在通過培育和推廣半矮稈稻麥品種,來提高作物適應增加化肥施用量、減少倒伏的能力,提高收穫指數從而顯著提高產量。在這樣的育種中,育種家們更偏好那些控制矮稈和能顯著提高收穫產量的特定基因,會忽略大量的其他可能有益的遺傳變異。最終,遺傳多樣性頻譜越來越單一和狹窄。」

失去多樣性的結果,是農作物生態更加脆弱,在面對新的全球病蟲害、極端氣候等不利因素時,缺乏有效的抵禦能力。

在今天,人類對食物的需求仍在不斷增長,而全球氣候變化帶來的各種極端天氣頻發、新的病蟲害出現等因素,正在嚴重威脅著全球小麥的生產。「科學家亟須找到一條高效、精準的小麥育種之路,保障糧食安全和發展可持續農業。而追溯作物進化和馴化過程中已形成的遺傳和表型多樣性,解碼和發現小麥優異性狀和變異,是突破小麥育種障礙,培育新一代高產優質小麥品種的必然之路。」程時鋒說。

輾轉海外,回到故鄉的種子

尋回小麥消失的多樣性,可以讓小麥的遺傳資源更豐富,也讓育種家們有更多的選擇,但這並不容易。

2018至2019年期間,程時鋒和團隊開啟了一項新的攻關,找到那些現代育種中丟失的基因。而要做到這一點,首先要找到那些消失的地方品種。

科研團隊引進的沃氏小麥及全球其他地方品種小麥,在中國種植並落地生根。中國農科院基因組所供圖科研團隊引進的沃氏小麥及全球其他地方品種小麥,在中國種植並落地生根。中國農科院基因組所供圖

在現代栽培種遍及全球的時代,地方品種越來越快地被淘汰,但並不意味著,它們全部都徹底消失在了世界上。事實上,早在上世紀二三十年代,第二次世界大戰開始前,就有科學家著力保存那些消失的地方種,建立資源庫,如當時知名的潘氏小麥、沃氏小麥。程時鋒介紹,潘氏小麥是一批地方品種的總稱,在1930年代,曾被我國的前輩科學家引入中國,但後來逐漸遺失,同時,由於世界性的戰爭衝突,潘氏小麥在英國也消失了,只留下一小部分失去活性的標本。 

不過,另外一批地方品種「沃氏小麥」得以保存,為此,程時鋒連續多次訪問英國,在保存沃氏小麥的科研機構英國約翰·英諾斯中心,將沃氏小麥引入中國,「當時引進了上千份優異的小麥核心種質資源,其中包含百年前收集於歐洲、亞洲和非洲32個國家的827份地方品種。」

有趣的是,800多份百年前的地方品種中,有118份收集於中國,是中國傳統的地方品種,他們在海外輾轉百年後,終於又回到了故鄉。

隨後,程時鋒所在的基因組所,聯合英國約翰·英諾斯中心等國內外多家優勢單位,開始了對這些珍貴資源的研究。「在生物育種、基因鑒定等領域,我國當前已經處於世界第一方陣,科研條件和水平都是比較高的,但英國當地的機構,缺乏研究和鑒定這些珍貴資源的技術能力,所以我們通過聯合攻關,充分發揮各自優勢,希望能盡快解決育種難題。」程時鋒說。

重回源頭,找到丟失的財富

感謝異地的妥善保存,讓我們找回失去了的珍貴,育種也是如此。

從2019年開始,研究人員將1000多份來自全球各地的小麥資源種植在我國天南地北的科研基地上,和整齊劃一的大田不同,這些小麥各具姿態,高矮粗細各不相同。

種植在實驗基地的沃氏小麥。中國農科院基因組所供圖種植在實驗基地的沃氏小麥。中國農科院基因組所供圖

在實驗基地,科研人員年複一年地守在田間,鑒定每一株小麥的性狀,何時出苗,怎樣分蘖,節間距長短,穗粒數多少……

在實驗室里,則通過現代生物學技術,進行多樣性種質資源的遺傳和表型變異圖譜繪製工作,對引進的小麥種質群體基因組信息進行解析,構建全球小麥單倍型圖譜,深度挖掘其潛在的、未被開發的基因資源和有利變異。結合英國歷史上的表型數據集合,形成了一套史無前例的小麥表型組矩陣。

由於沃氏小麥收集於綠色革命之前,所以具有豐富的遺傳多樣性,具有極高的研究價值。通過與現代品種的比較,科研人員發現,現代小麥品種經過長期的人工定向選擇,僅來自於7個祖先群中的2個,67%以上的遺傳多樣性丟失。

這些優異的資源,為何會消失在田間?程時鋒解釋,地方品種在過去被替代,主要和產量較低、抗倒伏性不強等原因有關,一旦遇到產量更高的現代小麥品種,農民往往就會遺棄栽培了多年的當地品種。

眾多地方小麥品種的遺傳庫中,保存著大量珍貴的遺傳資源,它們更適應當地的環境,有的還保存著異常突出的優勢,比如對某種疾病的高抗性。但是地方品種中的優異變異,大多數以稀有或低頻方式分散在少數品種中,一些複雜性狀的解析,更是面臨多重技術、科學和經濟上的挑戰,使得現代育種中很少使用地方品種。

通過現代生物學技術,找回這些遺傳庫中丟失的基因,只是第一步,更困難的工作還在後面。

設計育種,利用萬年的資源

小麥是異源六倍體,這是一個生物學領域的專業術語,簡單來說,它有6套基因組,而水稻是2倍體,人類也是2倍體。程時鋒介紹,普通小麥的基因組大小,大約是水稻的40倍、人類的5倍,其基因組和遺傳育種研究極其複雜,在過去一直被稱為作物界的「珠穆朗瑪峰」。

為破解小麥的遺傳密碼,研究團隊與國際合作者一道,提出了一套小麥全基因組設計育種的策略,包括解碼、發現、設計和最終的實現。

「解碼,就是全面展開多樣性種質資源的遺傳和表型變異圖譜繪製工作,對引進的小麥種質群體基因組信息進行解析,構建全球小麥單倍型圖譜,深度挖掘其潛在的、未被開發的基因資源和有利變異。」程時鋒說,「通過現代生物學技術,去鑒定那些優異的遺傳基因,這個工作中,團隊共鑒定出超過8000個遺傳效應位點,並在這些遺傳效應位點中,分析沃氏小麥所攜帶的有利變異。」

找到了遺失的基因,且鑒定出遺失基因中優異的部分,接下來,就可以想辦法利用了,「團隊分析了各大性狀之間的相關性,進行了一系列研究。事實上,並不是找到優異基因就能開展聚合育種,因為性狀之間存在著千絲萬縷的關係,有的優異性狀,可能和某些性狀有負相關性,比如產量高,但籽粒蛋白少,再如粒重變高,粒數卻變少等。這種現像在學術領域,被稱為性狀間的拮抗關係,你想用好的,無意中也可能會帶來壞的。只有深度理解和精準打破這一關係,才能在現代小麥育種中真正利用和聚合那些想要利用的優異基因。」程時鋒說。

為此,科研團隊開發了一系列相關的工具,如特定目標性狀的遺傳位點定位、聚合和分子標記輔助檢測工具等,這成了遺失優異資源得以利用的基礎。程時鋒介紹,「在這些工具的幫助下,我們和英國合作者的各個團隊一起,將發現的100餘個高質量的沃氏小麥親本所攜帶的特有的有利等位基因片段,通過雜交、回交的方式導入現代品種,形成了700多個單片段替換系,驗證和利用了沃氏小麥在產量、抗病、營養等性狀上,對於現代小麥育種巨大的利用價值,為未來精準智能育種奠定基礎。」

全球小麥,育種的新時代

「全球小麥可以分為7個祖先群,而現代小麥品種主要來源於其中兩個,這意味著,大量的特有變異,尚未被現代育種所利用,而發現和鑒定出這些特有變異基因,將極大改變現有品種同質化嚴重的局面,推動小麥領域新質生產力的發展。」中國科學院院士錢前說。

事實上,在研究中,程時鋒團隊和合作者們,已經發掘並驗證了多種未被利用的優異變異的功能和育種價值,比如挖掘到調控小麥高產、氮高效利用、適應性和營養品質的新基因和關鍵的有利變異位點等。

「沃氏小麥地方品種群體這一寶貴種質資源的引入,將為拓寬我國小麥的遺傳基礎、提高我國小麥的遺傳多樣性奠定堅實的基礎。」中國科學院院士李家洋說。

該論文的審稿人認為,該研究成果是全球小麥科學研究工作的一個重要里程碑,將極大地促進小麥甚至整個作物科學領域的基因組設計育種的步伐。

從資源引進來,到技術走出去,從理論到實踐相結合,國際多方合作的成果,也意味著該成果會更快應用到全球小麥育種中,在未來,被改變的不止是中國小麥的育種進程,更是全球小麥的現代育種之路。

據瞭解,程時鋒團隊在此前合作的基礎上,正在與歐洲、美國和國際玉米小麥研究中心等開展合作、擴大合作範圍、深化合作內容,先後共同發起了多項國際合作項目,繼續加強全球小麥種質資源的引進和本地化,「加強國際合作,既是為現代小麥育種貢獻中國智慧和中國力量,也是持續為我國小麥育種產業注入新的血液,服務我國小麥種業發展與振興。」程時鋒說。

新京報首席記者 周懷宗

編輯 張樹婧 校對 陳荻雁