小麥漫長的馴化過程與人類和環(huán)境有何關(guān)系？小麥為什么北“硬”南“軟”？冬麥和春麥究竟是如何演化的？中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所張學(xué)勇團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外研究團(tuán)隊共同開展的最新研究發(fā)現(xiàn)，染色體上跨著絲粒區(qū)域是小麥品種分化的核心區(qū)域。研究在基因組水平證實我國小麥現(xiàn)代品種保持了較高的多樣性，地域飲食習(xí)慣潛在地造就了小麥北“硬”南“軟”的特點，同時發(fā)現(xiàn)小麥的“冬性”是由“春性”演變而來。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

 

我國小麥現(xiàn)代品種保持了較高的多樣性
 

　　小麥?zhǔn)侨祟愖钤珩Z化的農(nóng)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，一直都是育種理論研究的難題。

 

　　我國是全球最大的小麥生產(chǎn)國和消費國，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，我國小麥品種的產(chǎn)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(xué)勇及其團(tuán)隊基于對我國近70年育種史的分析，選擇了17個不同時期、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)隊發(fā)現(xiàn)我國這17個小麥品種展現(xiàn)出很好的多樣性。研究推斷，這是由于我國小麥商業(yè)化育種發(fā)展相對較慢，一定程度保留了品種的遺傳多樣性，維持了小麥品種較高的韌性，這為未來作物育種管理政策的調(diào)整提供了參考。

 

　　研究中，科研人員發(fā)現(xiàn)了基因組中的一個特殊區(qū)域，這個特殊區(qū)域被稱為“跨著絲粒區(qū)域”。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)。這一發(fā)現(xiàn)為未來小麥的基因組學(xué)輔助育種改良提供了寶貴的基因資源信息，為全球種質(zhì)資源的整合和利用，支撐未來小麥育種提供了新的視角和策略。

 

小麥的“冬性”由“春性”演化而來
 

　　目前，人類種植的小麥有春小麥、冬小麥，其主要區(qū)別是能否越冬，當(dāng)前我國85%的小麥都是冬小麥。然而，小麥起源于兩河流域，氣候溫暖適宜，并不需要太強(qiáng)的耐寒性。那么，在漫長的進(jìn)化過程中，小麥?zhǔn)侨绾螐臏嘏貐^(qū)傳播到寒冷地區(qū)的？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)化研究中一個懸而未決的科學(xué)問題。在研究中，科研人員針對小麥的一個“春化基因”進(jìn)行了全面分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，小麥祖先種中的野生四倍體小麥和栽培種中的四倍體小麥，完全是“春性”的；而普通小麥出現(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”——抗寒性變強(qiáng)。

 

　　“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（西歐、東歐）地區(qū)、我國北方等地，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，研究發(fā)現(xiàn)在我國地方品種中，該基因大多為三次拷貝，而現(xiàn)代品種多為兩次拷貝?？截悢?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)代育成品種對環(huán)境變化的高度適應(yīng)性及遺傳基礎(chǔ)，為小麥在全球的廣泛分布提供了新的見解。

 

　　在小麥馴化過程中，因為人類的選擇不同，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。張學(xué)勇進(jìn)一步解釋道：“比如，一個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，同時也增加了個體的根量，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)。”

 

　　這種選擇結(jié)果也表現(xiàn)在人們對小麥類型的偏好中。在我國北方，老百姓大多更喜歡較為“筋道”的小麥加工食品，而南方地區(qū)則多偏好軟一點的小麥?zhǔn)称?。研究發(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)，而它又同時受到兩個特殊基因的控制。“當(dāng)這兩個基因發(fā)生突變或者丟失的時候，籽粒硬度就會增加，更適合制作烘焙類食品，反之則更適宜于加工比較松軟的饅頭、蛋糕等食品。”張學(xué)勇說，“我們在研究中發(fā)現(xiàn)，這兩個基因的變異分布存在一定的規(guī)律性，即在我國西北、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，這與我國居民‘北硬南軟’的飲食習(xí)慣密切相關(guān)，如北方居民喜歡吃鍋盔、咀嚼感很強(qiáng)的面條，而東南居民喜歡松軟的面食品。”可見，人們對面食的喜愛潛移默化地影響著本地區(qū)小麥育種的基因選擇。