中國科學家繪制小麥A、D基因組草圖

　　作為世界三大糧食作物之一，小麥養活了全球40%的人口，提供人類營養所需的20%的熱能和蛋白質。

　　隨著基因組學的發展，水稻和玉米的基因組相繼被破譯，但關于小麥基因組的測序研究依然困難重重、進展緩慢，小麥基因組成了橫在科學家面前的一座大山。

　　中科院遺傳與發育生物學研究所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室小麥研究團隊發起并領銜，與深圳華大基因研究院等合作，完成了小麥A基因組草圖的繪制，從而開啟了全面破譯小麥基因組的序幕。3月24日，英國《自然》雜志在線發表了該項研究成果。

　　基因組龐大而復雜

　　“生產上廣泛種植的普通小麥是一種異源六倍體，含有A、B和D三個基因組。”中科院遺傳發育所研究員、植物細胞與染色體工程國家重點實驗室主任凌宏清告訴記者，“雖然同為糧食作物，但普通小麥的基因組大而復雜，是水稻基因組的40倍、人類基因組的5.5倍。”

　　追本溯源，普通小麥的形成涉及三個原始祖先物種和兩次天然雜交。烏拉爾圖小麥是三個原始祖先之一，是數個多倍體小麥(包括普通小麥)含有的A基因組的供體。可以說，A基因組是小麥進化的基礎性基因組，在多倍體小麥進化過程中起著核心作用。

　　因此，科研人員選擇了烏拉爾圖小麥，對小麥A基因組序列圖譜的破譯展開研究，為未來更加全面地解析和改良六倍體小麥的基因組結構與功能打下基礎。但是，即便是二倍體的烏拉爾圖小麥，其基因組也是水稻的12倍和人類基因組的1.6倍之巨。沒有技術的創新，這幾乎是一項不可能完成的任務。

　　計算機系統兩次爆機

　　第二代測序技術的興起和發展，為深入探究小麥基因組奧秘提供了難得的機遇。

　　中科院遺傳發育所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室小麥基因組研究團隊聯合深圳華大基因研究院，開展了小麥基因組測序研究。但隨著實驗的進行，新的難題又浮出了水面。

　　雖然第二代測序技術的測序能力大大提高，但以前測的都是基因組較小的物種。能否順利完成像小麥A基因組這么大的測序任務，研究人員心里是打鼓的。事實上，就連以基因組測序見長的華大基因研究院，也從未做過如此復雜基因組的測序工作。

　　同時，小麥基因組的一個特點是含有大量的重復序列，這些序列高度相似，但又不完全相同，因此找到它們的位置并準確組裝起來，是一個巨大的挑戰。

　　為了精益求精，研究人員通過構建具有插入不同DNA片段大小的測序文庫，測得的核苷酸序列可覆蓋烏拉爾圖小麥基因組90多遍。其間產生的海量數據，曾讓華大強勁的計算機系統在序列組裝和分析中爆機兩次。科研人員邊實驗邊對計算機硬件和軟件進行升級，最終啃下了這塊硬骨頭。

　　經此一役后，中國的基因組測序和分析技術也有了長足的進步。

　　助推小麥遺傳育種研究

　　此次研究中，科學家共鑒定出34879個編碼蛋白基因，發現了3425個小麥A基因組特異基因和24個新的小分子RNA，鑒定出一批控制重要農藝性狀的基因，并發現小麥A基因組中的抗病基因明顯多于水稻、玉米和高粱。

　　“小麥起源于西亞、中東，那里冬季寒冷、干燥，但小麥能很好地生存。”中科院遺傳發育所研究員張愛民說，“另外，小麥也是廣適性最好的糧食作物之一，在地球上全年都能找到正在收割小麥的地方。”

　　科研人員認為，該研究中發現的基因和小分子RNA的擴張可能是小麥抵御惡劣生存環境和具備廣適性的原因之一。因此，這一重要的原始性創新成果將帶來多種應用價值。

　　“我們開展這項研究，主要是想為促進小麥遺傳育種和保障國家糧食安全做一些有益的工作。”中科院遺傳發育所研究員王道文表示，多年來，中國的小麥常規育種取得了長足的進展，育成了大批新品種，但要再往前推進就很難，一個主要原因是對小麥的基因組成了解不足。

　　的確如此。在三大糧食作物中，人類食用小麥的數量最多，但小麥的產量是最低的，而按照測算，小麥的理論產量應跟水稻差不多。現在，很多重要的基因都在水稻上克隆出來，并用于水稻的分子設計育種，但類似研究在小麥中還困難重重。

　　而此次科學家描繪的小麥A基因組圖譜，將有力地促進小麥基因組學研究和小麥分子設計育種的開展。

　　鏈接

　　小麥D基因組

　　草圖同步繪就

　　本報北京3月24日訊(記者黃明明)在小麥A基因組研究成果發表的同一天，由中國農科院和華大基因研究院等合作完成的小麥D基因組草圖，也在《自然》雜志上在線刊出。

　　研究人員在國際上率先完成了小麥D基因組供體種——粗山羊草基因組草圖的繪制，從而結束了小麥沒有組裝基因組序列的歷史，對小麥育種、小麥種質資源、小麥功能基因組、小麥進化及比較基因組等研究將產生巨大的推動作用。

　　項目牽頭人、中國農科院研究員賈繼增介紹說，小麥D基因組共有7條染色體，約44億個堿基對，約為水稻基因組的10倍。通過粗山羊草全基因組分析發現，其抗病相關基因、抗非生物應激反應的基因數量都發生顯著擴張，因而大大增強了其抗病性、抗逆性與適應性。研究還發現，D基因組中小麥特有的品質相關基因，很多也發生了顯著擴增，從而使小麥的品質性狀得到大大改良。

　　普通小麥D基因組多樣性的貧乏，已成為制約小麥品種改良的瓶頸。小麥D基因組的供體種——粗山羊草的遺傳多樣性非常豐富，其中蘊涵著許多優良基因。D基因組草圖的繪制，為粗山羊草的開發利用及進一步的品種改良奠定了基礎，并有望使小麥常規育種與雜交小麥取得突破性進展。