小麥基因組測序 為第三代育種繪制“高清地圖”

   不久前，中國科學院遺傳與發展生物學研究所在國際著名期刊《自然》上發表的論文稱，該研究小組已完成小麥A基因組測序和染色體精細圖譜繪制。這是繼2013年小麥A基因組祖先烏拉爾圖小麥基因組草圖成功繪制并發表在《自然》之后，該領域的又一重大成就。

   中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員凌宏清告訴《科技日報》：在世界三大糧食作物中，水稻和玉米基因組的測序已經完成，這極大地促進了這兩種作物的基礎和分子育種研究。然而，由于小麥基因組的特殊性和復雜性，基因組測序研究進展緩慢，制約了小麥功能基因組學和品種改進研究。

   最時尚的小麥育種技術

   隨著全球作物育種技術的不斷發展，育種者已經進入了第三代育種時代。

   根據作物的性質進行育種，如傳統的雜交育種，是第一代。采用這種方法，不需要知道為什么作物的性狀形成機制，直接選擇性狀。然而，由于作物的性質受到環境的影響，這種選擇方法是對基因的間接選擇，效果較低，有時無法幸運選擇能夠控制優良性狀的基因。因此，培育一個品種通常需要很長時間。

   第二代是分子標記育種。人們逐漸意識到作物的性質是染色體上某一段DNA序列決定。研究人員試圖找到一些與特征密切相關的分子標記，并在培育后代品種時選擇這些標記，最終實現特征的定向選擇。這種方法比第一代技術可靠，但與準確的靶向尋找優秀的特征基因仍有差距。

   最時尚的是基因組育種——―分子育種。利用高通量測序技術對群體進行研究，可以定位和控制作物的目標性狀基因，通過序列輔助篩選培育新品種。

   但是，為了實現基因組育種，必須對作物進行基因組測序。有了基因組序列，就可以開發出大量的分子標記，全面識別重要的農業特征基因。比如有了它，你手里就有了詳細的基因位置地圖。根據地圖，我們可以輕松、快速、準確地找到控制某一特征的目標基因，并識別其優異的等位變異。凌宏清說。

   巨大的基因組成測序是最大的困難

   小麥是世界三大糧食作物之一，也是世界上栽培最廣泛的作物，年產量超過6.2億噸，世界35噸%上述人口的口糧。其持續增產穩產關系到世界糧食安全。

   近十年來，中國和其他主要小麥生產國的小麥生產增長放緩，加上全球氣候變化，小麥生產面臨著嚴重的挑戰。迫切需要加強對品種改良和育種的研究，以滿足實際生產的需要。中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員張愛民說?；蚪M育種技術無疑是最能滿足這一迫切需要要求的。然而，要使用它，最悲哀的是基因組測序關閉。

   世界上有不同類型的二倍體一粒小麥、四倍體二粒小麥和六倍體普通小麥。其中，普通小麥對環境的適應性更強，成為當今廣泛種植的小麥。

   普通小麥由三個二倍體祖先種植(A，BD)是一種具有42條染色體的異源六倍體物種，兩次自然異交并自然加倍。普通小麥基因組巨大，是人類基因組的5倍，水稻基因組的40倍?；蚪M結構也極其復雜，重復序列約占整個基因組序列的85倍%―90%。基因組的巨大、多倍化和高重復性給小麥基因組的測序和組裝帶來了巨大的挑戰。

   全球攻關，測序初告完成

   小麥基因組測序可以充分闡明小麥生長、發育、抗病、抗逆、高產的分子機制及相關規律，大大促進其遺傳育種研究，帶來育種新變化。目前，在全球生物學家的集體研究下，小麥基因組測序已初步完成。

   2005年，美國、法國等國的科學家發起并成立了國際小麥基因組測序聯盟，組織全球20多個小麥主要生產國的科學家合作進行小麥基因組測序。普通小麥3于2008年完成B單個染色體的物理圖譜構建于2014年完成了染色體的測序和組裝。聯盟最近聲稱已經完成了普通小麥品種中國春的測序和精細組裝。

   與此同時，國內外科學家對與小麥起源相關的供體祖先種子進行了大量的基因組測序研究。

   小麥二倍體的祖先是小麥形成的基礎，在小麥多倍進化過程中起著核心作用。對二倍體祖先基因組的分析不僅可以為普通小麥基因組的分析提供重要參考，簡化小麥基因組的測序難度，還可以為小麥進化馴化研究提供重要信息，為普通小麥的綜合分析和改進奠定基礎。

   在小麥A、D中國在基因組二倍體供體物種基因組測序方面取得了重要進展。2013年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所和中國農業科學院作物科學研究所分別完成了烏拉爾圖小麥（A粗山羊草(D最近，基因組的草圖繪制完成了基因組的精細圖譜繪制。這也使我國小麥基因組測序研究進入世界先進行列。通過對基因組序列的比較分析，研究人員確定了一批控制小麥籽粒長度、千粒重、株高、落粒性、抗病性等重要農業特征的基因，并從分子水平上解釋了小麥基因組巨大的原因，并推斷出了小麥A基因組7個染色體進化模型。

   野生二粒小麥是普通小麥起源的重要祖先。2015年，以色列、美國、加拿大等國的科學家成立了野生二粒小麥測序聯盟，構建了野生二粒小麥超高密度SNP四倍體小麥的全基因組測序采用最新的基因組裝技術完成。

   功能基因組學研究的新階段即將到來

   小麥基因組測序的完成，特別是精細圖譜的獲取，將為小麥功能基因組學研究提供一個重要的平臺。凌洪慶說。他說，精細圖譜是多功能的，例如，它可以用來開發大量的分子標記，加速重要農業特征基因的遺傳定位，有效、系統地克隆小麥的重要功能基因，分析小麥高產、抗逆、高質量等重要特征的分子機制；參考精細圖譜，基因組重測序可以揭示小麥不同種質資源的優良基因組成，為雜交育種的基本選擇和群體設計提供理論基礎；功能分子標記的識別和開發可以直接選擇基因類型，提高育種選擇的準確性和效率。

   特別令專家欣慰的是，隨著小麥基因組序列的不斷完善，小麥基因組學的研究將從目前的結構基因組學進入功能基因組學的研究階段。屆時，基因克隆、基因功能發現、表達分析和代謝調節方法分析的研究將取得巨大進展。凌宏清表示，雖然他們的論文成果注釋了基因，但大多數基因的分子機制并不清楚，這將是他們下一步研究的目標。