看似普通的小麥，這次卻搞出了大動(dòng)靜，登上全球科學(xué)界的關(guān)注榜。
20余個(gè)國(guó)家、70多家機(jī)構(gòu)，200多位科學(xué)家，在國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟(IWGSC)的牽頭下，花費(fèi)13年時(shí)間，才終于完成了這部令人驚嘆的“密典”——這就是世界上首個(gè)完整版六倍體小麥“中國(guó)春”的基因組圖譜。
這項(xiàng)被澳大利亞墨爾本大學(xué)小麥育種專家魯?shù)稀ぐＥ酄査乖u(píng)價(jià)為“征服了遺傳學(xué)‘珠穆朗瑪峰’”的研究成果，8月17日被全世界最權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊之一《科學(xué)》在線發(fā)布。
一部小麥基因的“密碼本”，究竟有些什么內(nèi)容？為何能引發(fā)如此關(guān)注？它又能用來(lái)做些什么？西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)，是參與這一基因組圖譜破譯工作的唯一中國(guó)團(tuán)隊(duì)。
“這一研究的意義，類似對(duì)人類基因密碼的破解：有了小麥的基因組圖譜，小麥的育種、遺傳研究，就可以向前推進(jìn)一大步?！彼涡l(wèi)寧告訴中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者：小麥倒不倒伏、耐不耐旱、種子是大還是小、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高不高，“都和它有關(guān)”。
小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植最廣泛的谷物之一。人們用它來(lái)加工面包、饅頭、面條、啤酒等，養(yǎng)活了世界上40%的人口。尤其是在中國(guó)，這個(gè)世界最大的小麥生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，年種植小麥面積有2400萬(wàn)公頃左右、產(chǎn)量近1.3億噸。
然而很多人并不知道，與人類關(guān)系如此密不可分的小麥卻有著極其特殊的身份：它是唯一一個(gè)尚未完成全基因組測(cè)序的物種。
究其原因，有些意外：看似普通的小麥，其基因組的體量卻非常龐大——是人類基因組的5倍、水稻基因組的40倍。同時(shí)，作為典型的異源多倍體，小麥基因組內(nèi)的重復(fù)序列極高——包含3套非常相似的染色體,“破譯難度非常之巨大”。
正因如此，“小麥基因組測(cè)序”曾被媒體戲稱為“噩夢(mèng)般的挑戰(zhàn)”。就連IWGSC執(zhí)行主任凱利·埃弗索爾也在一份公開(kāi)聲明中表示：繪制小麥基因組圖譜，曾被視為“不可能完成的任務(wù)”。
對(duì)于研究者來(lái)說(shuō)，基因組圖譜的缺乏就像橫亙?cè)趦勺椒彘g的“天塹”，使得小麥育種者很難跟蹤小麥基因的“代序傳遞”。而對(duì)試圖改變其特定DNA序列的基因工程師，更是“老虎吃天，無(wú)處下爪”。
2005年，IWGSC向這一難關(guān)發(fā)起挑戰(zhàn)。2006年，宋衛(wèi)寧教授加入攻關(guān)“艦隊(duì)”。
這樣的國(guó)際性研究，為何選定“中國(guó)春”品種？宋衛(wèi)寧介紹，“中國(guó)春”是種植在四川省成都平原的一個(gè)地方品種。早在20世紀(jì)初，通過(guò)傳教士傳入西方。上世紀(jì)四五十年代，美國(guó)著名學(xué)者西爾斯通過(guò)研究，從“中國(guó)春”衍生出一系列小麥染色體材料。
“這使得‘中國(guó)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?！币舱虼?，小麥成為那個(gè)年代的模式作物，同時(shí)也直接推動(dòng)了黑麥、大麥、燕麥等其他物種的遺傳研究。
在各國(guó)科學(xué)家努力下，一項(xiàng)又一項(xiàng)令人振奮的成果先后面世。事實(shí)一次次證明：“珠峰”也并非高不可攀。
事實(shí)上，在小麥測(cè)序研究領(lǐng)域科學(xué)家們的不斷努力下，令人振奮的成果也一項(xiàng)項(xiàng)先后問(wèn)世：2008年，法國(guó)農(nóng)科院研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了小麥染色體中最大的一條——3B染色體的物理圖譜；2013年，中科院遺傳發(fā)育所和中國(guó)農(nóng)科院作物所分別完成小麥祖先A和D基因組草圖；2017年，IWGSC宣布：小麥品系“中國(guó)春”染色體物理圖譜構(gòu)建完成；同年，美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)獲得小麥祖先D基因參考序列……
對(duì)于世界首個(gè)六倍體小麥基因組圖譜來(lái)說(shuō)，由于基因組體量大、重復(fù)序列含量高，“不得不采取‘分而治之’的策略?！彼涡l(wèi)寧表示，“研究所采取的技術(shù)路線，是‘分離染色體—建立BAC(細(xì)菌人工染色體)文庫(kù)—構(gòu)建物理圖譜—測(cè)序’?！?/span>
首先，依照大小、長(zhǎng)短，將所有染色體統(tǒng)一進(jìn)行分離。“中國(guó)春”的21條染色體，共分為3組，名為A組、B組和D組。每組內(nèi)，含有7條染色體，依照數(shù)字編碼為1A、2A、3A等。每條染色體，還可拆分為長(zhǎng)臂和短臂。
染色體的最初分離，與細(xì)菌人工染色體文庫(kù)的構(gòu)建，由捷克的研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。之后，由IWGSC協(xié)調(diào)委員會(huì)牽頭，各國(guó)成員依照自身?xiàng)l件“一段段認(rèn)領(lǐng)”，再分頭完成后續(xù)的物理圖譜構(gòu)建和細(xì)菌人工染色體測(cè)序(BAC測(cè)序)。
最終，20多個(gè)國(guó)家的科研人員，分頭完成了物理圖譜的構(gòu)建。在這一浩大工程中，研究人員整合了21條小麥染色體的參考序列，獲得10.7萬(wàn)個(gè)基因，超過(guò)400萬(wàn)個(gè)分子標(biāo)記，以及影響基因表達(dá)的序列信息。
宋衛(wèi)寧團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的，是對(duì)小麥染色體“7D中長(zhǎng)臂”的破譯。目前，能夠確定“這條染色體的許多區(qū)間，與小麥產(chǎn)量、種子大小、能否抵抗銹病等性狀有著密切關(guān)聯(lián)”。
“小麥‘7D中長(zhǎng)臂’的破譯，是一個(gè)全新探索，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循?！彼涡l(wèi)寧說(shuō)，僅“7D中長(zhǎng)臂”染色體的大小，就已相等于整個(gè)水稻的基因組大小。不僅如此，其物理圖譜構(gòu)建及序列組裝、分析和破譯的工作量，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相應(yīng)的水稻基因組。
“參與此次研究的師生數(shù)量，可以坐滿整整一節(jié)車廂?！彼涡l(wèi)寧打了個(gè)形象的比方。在西北農(nóng)林科技大學(xué)為團(tuán)隊(duì)提供的科研支持下，團(tuán)隊(duì)成員基本沒(méi)有節(jié)假日、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。
“中國(guó)春”基因組圖譜的繪制完成，“可以說(shuō)獲得了研究小麥的一個(gè)‘密碼本’?！彼涡l(wèi)寧表示，它使科學(xué)家對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律的了解發(fā)生了質(zhì)的飛躍，也為未來(lái)人類更好地利用小麥做了重要鋪墊。
“有了這本‘參考書(shū)’，從前做不出來(lái)的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在就有可能做出來(lái)了。之前研究過(guò)的，還可以繼續(xù)做得更通透。”迄今為止，針對(duì)這一基因組，聯(lián)盟成員和其他研究人員已發(fā)表論文100多篇。
與此同時(shí)，新的發(fā)現(xiàn)也已開(kāi)始起作用。例如，比利時(shí)植物遺傳學(xué)家安杰·羅德報(bào)告稱，其研究小組確定了導(dǎo)致小麥發(fā)芽延遲的關(guān)鍵基因，他們希望使用技術(shù)令該基因失效，從而縮短育種周期；美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的喬治·杜布佐夫斯基教授，則在最近發(fā)現(xiàn)了一種新的小麥高度基因……
“未來(lái)，我們還將繼續(xù)開(kāi)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(lái)，培育高產(chǎn)、抗旱、抗鹽、抗病蟲(chóng)的小麥新品種，以更好應(yīng)對(duì)全球氣候變化及人口增加帶來(lái)的食品短缺挑戰(zhàn)，為小麥基因組改良工作奠定基礎(chǔ)?！彼涡l(wèi)寧表示。
來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)