一粒種子，可以改變世界！而了解一粒種子，需要從基因入手了！

      隨著現(xiàn)代基因組學(xué)的快速發(fā)展，水稻、玉米等重要糧食作物紛紛被一些硬核科學(xué)家們破譯，包括人類基因組測(cè)序工作也于本世紀(jì)初宣布完成。

      但是，與人類生活息息相關(guān)的小麥，卻遲遲難以破譯。要知道，世界上約40%的人口以小麥為主要糧食，據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）估計(jì)，到2050年，全球人口將增至96億，因此小麥產(chǎn)量需要增加60%才能養(yǎng)活這么多人口。


      基因育種，首先要進(jìn)行基因測(cè)序。但是，小麥基因測(cè)序，真的很難。為什么這么難？這與小麥的“身世”有關(guān)，其先輩們的基因組各不相同。

      知識(shí)點(diǎn)來了，我們現(xiàn)在的小麥?zhǔn)怯勺嫦纫吧囊涣Ｐ←湥趵瓲枅D小麥，含AA基因組）與擬斯卑爾托山羊草（含BB基因組）雜交形成四倍體野生二粒小麥（含有AABB基因組）。在大約8000年以前，亞洲西部肥沃新月地帶，四倍體小麥又和野生粗山羊草（含有DD基因組）自發(fā)雜交進(jìn)而產(chǎn)生了六倍體小麥（含有AABBDD基因組）。用官方的說法就是異源多倍體基因組。

      因此，小麥基因組體量龐大又復(fù)雜。有多大？大約是人類基因組的6倍，是水稻基因組的40倍。有多復(fù)雜？小麥?zhǔn)怯?個(gè)不同的基因組綁在一塊的，即幾個(gè)不同的物種雜交在一起，幾個(gè)基因組同時(shí)存在，其復(fù)雜程度不是簡(jiǎn)單的成倍，3個(gè)基因組中序列超過90%是相似的，僅小部分是不同的。重復(fù)序列含量有多高？人的基因組大概有50%的是重復(fù)序列，而小麥差不多達(dá)到90%。

      如此龐大、復(fù)雜、重復(fù)序列高的基因組破譯極具挑戰(zhàn)性，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室或一個(gè)國家沒辦法完成的，這也就是為什么小麥全基因測(cè)序困難重重。長期以來，這被很多領(lǐng)域的科學(xué)家認(rèn)為是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。

      天降大任，必有勇夫！2005年，英法澳美等國科學(xué)家發(fā)起并成立了國際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟，號(hào)召并組織全世界科學(xué)家協(xié)作開展小麥基因組測(cè)序。來自咱們國家的西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的宋衛(wèi)寧教授成為該聯(lián)盟決策委員會(huì)的成員之一。

      在這個(gè)小麥基因組測(cè)序全球聯(lián)合攻關(guān)中，一個(gè)有意思的事就是測(cè)序所選用的材料是一個(gè)名叫“中國春”的品種。宋衛(wèi)寧說，這是來自中國的地方小麥品種，這也是為什么我們?cè)诶щy重重的情況下仍然堅(jiān)持參與攻關(guān)。試想全世界小麥科學(xué)家采用來自中國的材料做出一項(xiàng)輝煌的成就，如果沒有中國團(tuán)隊(duì)的參與，那將是一件非常尷尬的事情。

      這項(xiàng)國際性大協(xié)作研究工作，為何特別選用極富中國色彩的“中國春”品種？據(jù)宋衛(wèi)寧介紹，“中國春”是種植在四川省成都平原的一個(gè)地方小麥品種。早在20世紀(jì)初，由傳教士傳入西方，上世紀(jì)四五十年代，美國著名學(xué)者西爾斯通過研究，從“中國春”衍生出一系列小麥染色體材料。于是，“中國春”成為小麥遺傳學(xué)最重要的遺傳材料和工具，促進(jìn)了小麥細(xì)胞遺傳學(xué)的大發(fā)展，同時(shí)也直接推動(dòng)了黑麥、大麥、燕麥等其他近緣物種的遺傳研究。

      聯(lián)盟的科學(xué)家們對(duì)“中國春”的21條染色體進(jìn)行了分離，聯(lián)盟各成員分別承擔(dān)了相關(guān)物理圖譜構(gòu)建、細(xì)菌人工染色體測(cè)序和序列的組裝與分析等工作。宋衛(wèi)寧教授實(shí)驗(yàn)室作為中國唯一參與并承擔(dān)實(shí)質(zhì)性研究工作的團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了其中7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作。

      宋衛(wèi)寧介紹說，小麥7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作是一個(gè)全新的探索，沒有經(jīng)驗(yàn)可循， 7DL染色體的大小相等于整個(gè)水稻基因組，但物理圖譜構(gòu)建及序列組裝、分析和破譯的工作量，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相應(yīng)的水稻基因組。“我們實(shí)驗(yàn)室做了這么多年，參與過的師生數(shù)量恐怕可以坐滿火車一節(jié)車廂了。”他笑著說。在此過程中，團(tuán)隊(duì)成員基本沒有節(jié)假日、沒有寒暑假的概念，全力投入海量數(shù)據(jù)的測(cè)序和破譯工作，付出了極大代價(jià)，經(jīng)費(fèi)負(fù)數(shù)的時(shí)候，無奈向?qū)W校借了100多萬元，走錯(cuò)了路重新再來的現(xiàn)象更是時(shí)有發(fā)生。但宋衛(wèi)寧團(tuán)隊(duì)頂住巨大的壓力，始終堅(jiān)持不懈，先后爭(zhēng)取到國家“863”和其它項(xiàng)目的支持，沿著當(dāng)初確定的目標(biāo)持續(xù)發(fā)力。“十年磨一劍”，經(jīng)過近10年的不懈努力，終于完成了7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作。

      2018年8月17日，美國《科學(xué)》雜志載文稱世界上首個(gè)六倍體小麥基因組圖譜完成。這一歷時(shí)13年，來自20多個(gè)國家70多家機(jī)構(gòu)的200多位科學(xué)家參與完成的這一科研成果轟動(dòng)世界。國際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟主席、澳大利亞墨爾本大學(xué)小麥育種專家Rudi Appels 評(píng)價(jià)該研究是“征服了遺傳學(xué)的‘珠穆朗瑪峰’！”

      宋衛(wèi)寧說，就像破解人類基因密碼一樣，有了小麥的基因組圖譜，小麥的育種、遺傳研究就能向前推進(jìn)一大步。這項(xiàng)“里程碑”工作為培育產(chǎn)量更高、營養(yǎng)更豐富、氣候適應(yīng)性更強(qiáng)的小麥品種奠定基礎(chǔ)。

      在去年8月世界上首個(gè)六倍體小麥參考基因組發(fā)布之后，宋衛(wèi)寧教授實(shí)驗(yàn)室沒有片刻停留便又投入到新的科研工作中。據(jù)宋衛(wèi)寧介紹，大多數(shù)現(xiàn)有的植物基因組的組裝都存在許多“縫隙”（gap），獲得完整的基因組仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于重復(fù)序列高、基因組龐大的復(fù)雜基因組。小麥參考基因組序列同樣存在大量的gap，比如在7D染色體長臂就發(fā)現(xiàn)了12114個(gè)gap，總長度約5.7Mb。

      經(jīng)過一年的努力，宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)在小麥7DL 的組裝基礎(chǔ)上，填補(bǔ)了超過66%的gap序列，顯著提高了小麥7DL染色體組裝的完整性。并和其祖先種粗山羊草的進(jìn)行了比較基因組分析，以7DL為視角揭示了小麥的馴化過程中基因組結(jié)構(gòu)和序列層面的變化，為解析小麥基因組的演化及其遺傳改良提供了重要的數(shù)據(jù)參考。在整個(gè)國際小麥測(cè)序聯(lián)盟中，宋衛(wèi)寧教授實(shí)驗(yàn)室是首個(gè)把基因組序列V1.0版改進(jìn)為V2.0版的團(tuán)隊(duì)，不但填補(bǔ)了龐大數(shù)量的序列“縫隙”，同時(shí)還完成了深度的比較基因組分析，走在全聯(lián)盟的前列。

      “7DL染色體的序列改進(jìn)是小麥參考基因組V1.0后的繼續(xù)和完善，可為升級(jí)版的小麥參考基因組v2.0提供參照。”據(jù)宋衛(wèi)寧介紹，這將使得小麥基因組的序列注釋、SNP calling、單倍型分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析等更加準(zhǔn)確。

      “未來，我們還將繼續(xù)開展序列分析工作，將小麥基因組的進(jìn)化、序列與分子育種、遺傳育種結(jié)合起來，培育高產(chǎn)、抗旱、抗鹽、抗病蟲的小麥新品種，更好應(yīng)對(duì)全球氣候變化及人口膨脹帶來的食品短缺的挑戰(zhàn)，為小麥基因組改良工作奠定基礎(chǔ)。”宋衛(wèi)寧介紹說。

      正是有了像宋衛(wèi)寧教授這些硬核的科學(xué)家們，有效推動(dòng)了世界科技進(jìn)步，創(chuàng)造了小麥基因測(cè)序的輝煌成就，為人類糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)，讓我們?yōu)檫@些科學(xué)家們點(diǎn)贊。

      作者：農(nóng)民日?qǐng)?bào)、中國農(nóng)網(wǎng)記者 胡明寶