當人類遇見小麥 科學家揭秘小麥協同進化機制

小麥為什麼北「硬」南「軟」？冬麥和春麥究竟是如何分化的？漫長的馴化史中，是小麥適應了人類，還是人類適應了小麥？

作為全球最大的主糧作物之一，小麥有萬年馴化史，和人類文明的進程息息相關。近日，我國科學家的一項新研究，發現了小麥品種分化的核心區域，揭示了小麥演化背後的故事，研究由中國農科院作科所張學勇團隊聯合國內外研究團隊共同完成，成果於2024年11月28日零點，以長文形式發表於《自然（Nature）》雜誌。

重新組裝了17個小麥品種基因組

小麥是人類馴化最早的農作物之一，也是人類從採集轉向農耕的標誌性作物之一。然而，小麥本身豐富的育成品種和複雜龐大的基因組，一直都是育種和研究的難題之一。

張學勇介紹，我國是全球最大的小麥生產國和消費國，育種水平處在全球前列，尤其隨著現代育種技術的發展，小麥品種極大豐富，在過去70年中，中國小麥品種的產量水平提高了6-8倍，育成品種超過5000個，其中國審品種約3500個。

從4年前開始，張學勇和團隊的合作者們一起，在中國近70年育種史上，選擇了17個不同時期、不同區域的代表性品種，進行了染色體水平的高質量基因組重新組裝。在高質量基因組的分析中，研究團隊發現這17個中國小麥品種展現出高於全球其他國家近30年育成品種的多樣性。「我們推斷，這可能是由於我國小麥商業化育種發展相對較慢，一定程度保留了其品種的遺傳多樣性、維持了小麥品種較高的韌性。」張學勇說。

小麥是異源六倍體，含有三個功能相似、染色體間可發生互換的亞基因組，這賦予了其基因組很好的可塑性和韌性，能夠更好地耐受基因組片段的丟失、重覆、倒位、易位等結構變異衝擊。「這也是小麥能夠傳播到全球，並且出現這麼多不同品種的重要原因。」張學勇說。

研究中，一個基因組中的特殊區域被科研人員發現，這個特殊區域被稱為「跨著絲粒區域」，研究發現，在該區域附近的結構變異，顯著影響了小麥基因的重組，而基因重組是生物變異和進化的基礎。「我們在研究前期發現了這一現象，並在後來的研究中證實了它。」張學勇說。

從「春性」到「冬性」，小麥還在快速演化

小麥起源於兩河流域，在漫長的時間里，傳播到了全球各地，無論是溫暖的平原，還是寒冷的高原，都有它的身影。那麼，它是怎樣適應這個世界的呢？

在今天，小麥有春小麥、冬小麥，外在的主要區別是能否越冬，相對來說，冬小麥的產量更高且更穩定，因此，當前我國大部分小麥都是冬小麥。

值得注意的是，在小麥的發源地，氣候溫暖適宜，小麥並不需要太強的耐寒性，那麼它越冬的能力是怎樣產生的？

張學勇介紹，小麥「春性」與「冬性」的轉變和演化，是小麥進化研究中一個懸而未決的科學問題。在研究中，科研人員針對小麥的一個「春化基因」進行了全面分析，進而發現，小麥的祖先種中的野生四倍體小麥，栽培種中的四倍體小麥，完全是「春性」的。而普通小麥中出現「冬性」突變和該「春化基因」的複製數變異，繼而呈現「冬性」——即抗寒性強弱的變化。

「這種變化產生的原因，可能和傳播中的環境變化有關。」張學勇說，「當傳播到更加寒冷的地區，如歐洲地區、我國北方等，小麥在適應環境的過程中，出現了基因變異，進化出了耐寒的能力。尤其是，這種變化仍未停止，我們發現，我國地方品種中，該基因大多為三次複製，而現代品種多為兩次複製，複製數的降低，可能與最近100年氣候變暖密切相關。這解釋了地方品種和現代育成品種對環境變化的高度適應性及遺傳基礎，為小麥為何在全球分佈如此廣泛提供了新的見解。」

人類怎樣影響小麥的演化

在人類馴化小麥的過程中，因為選擇的不同，小麥出現了許多新的變化，比如抗病性，這也體現在小麥的基因層面。研究發現，小麥外源染色體片段在快速調整和進化。「比如，一個來自於黑麥的染色體，為小麥提供了重要的抗白粉病、條鏽病基因，同時也增加了個體的根量，增強了水肥吸收能力，為小麥產量的提高作出了重要貢獻。」張學勇說，「我們還發現，小麥基因組中，該染色體在處於快速進化和調整之中，這使其更好地在小麥基因組大背景中保留和傳遞。」

這種選擇和適應的結果，不止在生產性能上有所表現，也表現在人們對小麥類型的偏好中。在我國，北方地區的人，大多更喜歡較為「筋道」的小麥加工食品，而南方地區的人們，多偏好軟一點的小麥食品。

科研人員發現，小麥籽粒的硬度，是影響麵糰結構的重要遺傳因素，與小麥麵粉的出粉率、研磨品質和食品加工品質密切相關，而它又同時受到兩個特殊基因的控制，「當這兩個基因發生突變或者丟失的時候，籽粒就會變硬，更適合製作烘焙類食品，反之更適宜於加工比較鬆軟的饅頭、蛋糕等食品。」張學勇說，「我們在研究中發現，這兩個基因的變異分佈，存在一定的規律性，即我國西北、華北小麥品種中，該基因突變的頻率顯著高於東南、西南地區小麥品種，這與我國居民‘北硬南軟’的飲食習慣密切相關，如北方喜歡吃鍋盔、咀嚼感很強的麵條，而東南居民喜歡鬆軟的麵食品。」

那麼，是人類的偏好影響了小麥的演化，還是小麥的演化左右著人類的口味？或許還要更多的研究才能探究明白，針對小麥的研究仍在進行，更多的秘密還待揭開。

新京報記者 周懷宗

編輯 張樹婧 校對 陳荻雁