一粒种子,可以改变世界!而了解一粒种子,需要从基因入手了!

随着现代基因组学的快速发展,水稻、玉米等重要粮食作物纷纷被一些硬核科学家们破译,包括人类基因组测序工作也于本世纪初宣布完成。

但是,与人类生活息息相关的小麦,却迟迟难以破译。要知道,世界上约40%的人口以小麦为主要粮食,据联合国粮食及农业组织(FAO)估计,到2050年,全球人口将增至96亿,因此小麦产量需要增加60%才能养活这么多人口。


需要养活这么多人?小麦压力山大。而从事小麦育种的科学家们,压力更大。别人家的育种已经可以进行基因育种了,咱们的育种还停留在杂交育种,这怎么能行!

基因育种,首先要进行基因测序。但是,小麦基因测序,真的很难。为什么这么难?这与小麦的“身世”有关,其先辈们的基因组各不相同。

知识点来了,我们现在的小麦是由祖先野生的一粒小麦(乌拉尔图小麦,含AA基因组)与拟斯卑尔托山羊草(含BB基因组)杂交形成四倍体野生二粒小麦(含有AABB基因组)。在大约8000年以前,亚洲西部肥沃新月地带,四倍体小麦又和野生粗山羊草(含有DD基因组)自发杂交进而产生了六倍体小麦(含有AABBDD基因组)。用官方的说法就是异源多倍体基因组。

因此,小麦基因组体量庞大又复杂。有多大?大约是人类基因组的6倍,是水稻基因组的40倍。有多复杂?小麦是由3个不同的基因组绑在一块的,即几个不同的物种杂交在一起,几个基因组同时存在,其复杂程度不是简单的成倍,3个基因组中序列超过90%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,而小麦差不多达到90%。

如此庞大、复杂、重复序列高的基因组破译极具挑战性,是一个实验室或一个国家没办法完成的,这也就是为什么小麦全基因测序困难重重。长期以来,这被很多领域的科学家认为是一项不可能完成的任务。


天降大任,必有勇夫!2005年,英法澳美等国科学家发起并成立了国际小麦基因组测序联盟,号召并组织全世界科学家协作开展小麦基因组测序。来自咱们国家的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成为该联盟决策委员会的成员之一。

在这个小麦基因组测序全球联合攻关中,一个有意思的事就是测序所选用的材料是一个名叫“中国春”的品种。宋卫宁说,这是来自中国的地方小麦品种,这也是为什么我们在困难重重的情况下仍然坚持参与攻关。试想全世界小麦科学家采用来自中国的材料做出一项辉煌的成就,如果没有中国团队的参与,那将是一件非常尴尬的事情。

▲宋卫宁教授(右一)

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。

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。宋卫宁教授实验室作为中国唯一参与并承担实质性研究工作的团队,承担了其中7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。

宋卫宁介绍说,小麦7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作是一个全新的探索,没有经验可循, 7DL染色体的大小相等于整个水稻基因组,但物理图谱构建及序列组装、分析和破译的工作量,要远远超过相应的水稻基因组。“我们实验室做了这么多年,参与过的师生数量恐怕可以坐满火车一节车厢了。”他笑着说。在此过程中,团队成员基本没有节假日、没有寒暑假的概念,全力投入海量数据的测序和破译工作,付出了极大代价,经费负数的时候,无奈向学校借了100多万元,走错了路重新再来的现象更是时有发生。但宋卫宁团队顶住巨大的压力,始终坚持不懈,先后争取到国家“863”和其它项目的支持,沿着当初确定的目标持续发力。“十年磨一剑”,经过近10年的不懈努力,终于完成了7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。


2018年8月17日,美国《科学》杂志载文称世界上首个六倍体小麦基因组图谱完成。这一历时13年,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。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Rudi Appels 评价该研究是“征服了遗传学的‘珠穆朗玛峰’!”

宋卫宁说,就像破解人类基因密码一样,有了小麦的基因组图谱,小麦的育种、遗传研究就能向前推进一大步。这项“里程碑”工作为培育产量更高、营养更丰富、气候适应性更强的小麦品种奠定基础。

在去年8月世界上首个六倍体小麦参考基因组发布之后,宋卫宁教授实验室没有片刻停留便又投入到新的科研工作中。据宋卫宁介绍,大多数现有的植物基因组的组装都存在许多“缝隙”(gap),获得完整的基因组仍然是一个挑战,尤其对于重复序列高、基因组庞大的复杂基因组。小麦参考基因组序列同样存在大量的gap,比如在7D染色体长臂就发现了12114个gap,总长度约5.7Mb。


经过一年的努力,宋卫宁教授团队在小麦7DL 的组装基础上,填补了超过66%的gap序列,显著提高了小麦7DL染色体组装的完整性。并和其祖先种粗山羊草的进行了比较基因组分析,以7DL为视角揭示了小麦的驯化过程中基因组结构和序列层面的变化,为解析小麦基因组的演化及其遗传改良提供了重要的数据参考。在整个国际小麦测序联盟中,宋卫宁教授实验室是首个把基因组序列V1.0版改进为V2.0版的团队,不但填补了庞大数量的序列“缝隙”,同时还完成了深度的比较基因组分析,走在全联盟的前列。

“7DL染色体的序列改进是小麦参考基因组V1.0后的继续和完善,可为升级版的小麦参考基因组v2.0提供参照。”据宋卫宁介绍,这将使得小麦基因组的序列注释、SNP calling、单倍型分析和全基因组关联分析等更加准确。

“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,更好应对全球气候变化及人口膨胀带来的食品短缺的挑战,为小麦基因组改良工作奠定基础。”宋卫宁介绍说。

正是有了像宋卫宁教授这些硬核的科学家们,有效推动了世界科技进步,创造了小麦基因测序的辉煌成就,为人类粮食安全做出了重要贡献,让我们为这些科学家们点赞。


作者:农民日报、中国农网记者 胡明宝

监制:王澎;编辑:刘菁


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