小麥為什么北“硬”南“軟”？冬麥和春麥究竟是如何分化的？漫長(zhǎng)的馴化史中，是小麥適應(yīng)了人類，還是人類適應(yīng)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(jìn)程息息相關(guān)。近日，我國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)新研究，發(fā)現(xiàn)了小麥品種分化的核心區(qū)域，揭示了小麥演化背后的故事，研究由中國(guó)農(nóng)科院作科所張學(xué)勇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)共同完成，成果于2024年11月28日零點(diǎn)，以長(zhǎng)文形式發(fā)表于《自然（Nature）》雜志。
重新組裝了17個(gè)小麥品種基因組
小麥?zhǔn)侨祟愸Z化最早的農(nóng)作物之一，也是人類從采集轉(zhuǎn)向農(nóng)耕的標(biāo)志性作物之一。然而，小麥本身豐富的育成品種和復(fù)雜龐大的基因組，一直都是育種和研究的難題之一。
張學(xué)勇介紹，我國(guó)是全球最大的小麥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，育種水平處在全球前列，尤其隨著現(xiàn)代育種技術(shù)的發(fā)展，小麥品種極大豐富，在過去70年中，中國(guó)小麥品種的產(chǎn)量水平提高了6-8倍，育成品種超過5000個(gè)，其中國(guó)審品種約3500個(gè)。
從4年前開始，張學(xué)勇和團(tuán)隊(duì)的合作者們一起，在中國(guó)近70年育種史上，選擇了17個(gè)不同時(shí)期、不同區(qū)域的代表性品種，進(jìn)行了染色體水平的高質(zhì)量基因組重新組裝。在高質(zhì)量基因組的分析中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這17個(gè)中國(guó)小麥品種展現(xiàn)出高于全球其他國(guó)家近30年育成品種的多樣性。“我們推斷，這可能是由于我國(guó)小麥商業(yè)化育種發(fā)展相對(duì)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(xué)勇說。
小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，含有三個(gè)功能相似、染色體間可發(fā)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、重復(fù)、倒位、易位等結(jié)構(gòu)變異沖擊。“這也是小麥能夠傳播到全球，并且出現(xiàn)這么多不同品種的重要原因。”張學(xué)勇說。
研究中，一個(gè)基因組中的特殊區(qū)域被科研人員發(fā)現(xiàn)，這個(gè)特殊區(qū)域被稱為“跨著絲粒區(qū)域”，研究發(fā)現(xiàn)，在該區(qū)域附近的結(jié)構(gòu)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(jìn)化的基礎(chǔ)。“我們?cè)谘芯壳捌诎l(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，并在后來的研究中證實(shí)了它。”張學(xué)勇說。
從“春性”到“冬性”，小麥還在快速演化
小麥起源于兩河流域，在漫長(zhǎng)的時(shí)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。那么，它是怎樣適應(yīng)這個(gè)世界的呢？
在今天，小麥有春小麥、冬小麥，外在的主要區(qū)別是能否越冬，相對(duì)來說，冬小麥的產(chǎn)量更高且更穩(wěn)定，因此，當(dāng)前我國(guó)大部分小麥都是冬小麥。
值得注意的是，在小麥的發(fā)源地，氣候溫暖適宜，小麥并不需要太強(qiáng)的耐寒性，那么它越冬的能力是怎樣產(chǎn)生的？
張學(xué)勇介紹，小麥“春性”與“冬性”的轉(zhuǎn)變和演化，是小麥進(jìn)化研究中一個(gè)懸而未決的科學(xué)問題。在研究中，科研人員針對(duì)小麥的一個(gè)“春化基因”進(jìn)行了全面分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)“冬性”突變和該“春化基因”的拷貝數(shù)變異，繼而呈現(xiàn)“冬性”——即抗寒性強(qiáng)弱的變化。
“這種變化產(chǎn)生的原因，可能和傳播中的環(huán)境變化有關(guān)。”張學(xué)勇說，“當(dāng)傳播到更加寒冷的地區(qū)，如歐洲地區(qū)、我國(guó)北方等，小麥在適應(yīng)環(huán)境的過程中，出現(xiàn)了基因變異，進(jìn)化出了耐寒的能力。尤其是，這種變化仍未停止，我們發(fā)現(xiàn)，我國(guó)地方品種中，該基因大多為三次拷貝，而現(xiàn)代品種多為兩次拷貝，拷貝數(shù)的降低，可能與最近100年氣候變暖密切相關(guān)。這解釋了地方品種和現(xiàn)代育成品種對(duì)環(huán)境變化的高度適應(yīng)性及遺傳基礎(chǔ)，為小麥為何在全球分布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?yàn)檫x擇的不同，小麥出現(xiàn)了許多新的變化，比如抗病性，這也體現(xiàn)在小麥的基因?qū)用?。研究發(fā)現(xiàn)，小麥外源染色體片段在快速調(diào)整和進(jìn)化。“比如，一個(gè)來自于黑麥的染色體，為小麥提供了重要的抗白粉病、條銹病基因，同時(shí)也增加了個(gè)體的根量，增強(qiáng)了水肥吸收能力，為小麥產(chǎn)量的提高作出了重要貢獻(xiàn)。”張學(xué)勇說，“我們還發(fā)現(xiàn)，小麥基因組中，該染色體在處于快速進(jìn)化和調(diào)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(yīng)的結(jié)果，不止在生產(chǎn)性能上有所表現(xiàn)，也表現(xiàn)在人們對(duì)小麥類型的偏好中。在我國(guó)，北方地區(qū)的人，大多更喜歡較為“筋道”的小麥加工食品，而南方地區(qū)的人們，多偏好軟一點(diǎn)的小麥?zhǔn)称贰?/div>
科研人員發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒的硬度，是影響面團(tuán)結(jié)構(gòu)的重要遺傳因素，與小麥面粉的出粉率、研磨品質(zhì)和食品加工品質(zhì)密切相關(guān)，而它又同時(shí)受到兩個(gè)特殊基因的控制，“當(dāng)這兩個(gè)基因發(fā)生突變或者丟失的時(shí)候，籽粒就會(huì)變硬，更適合制作烘焙類食品，反之更適宜于加工比較松軟的饅頭、蛋糕等食品。”張學(xué)勇說，“我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)基因的變異分布，存在一定的規(guī)律性，即我國(guó)西北、華北小麥品種中，該基因突變的頻率顯著高于東南、西南地區(qū)小麥品種，這與我國(guó)居民‘北硬南軟’的飲食習(xí)慣密切相關(guān)，如北方喜歡吃鍋盔、咀嚼感很強(qiáng)的面條，而東南居民喜歡松軟的面食品。”
那么，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(duì)小麥的研究仍在進(jìn)行，更多的秘密還待揭開。 =
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