又一壯舉！比人類基因組還大6倍的小麥基因終于被他們搞清楚了

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！

隨著現代基因組學的快速發展，水稻、玉米等重要糧食作物紛紛被一些硬核科學家們破譯，包括人類基因組測序工作也于本世紀初宣布完成。

但是，與人類生活息息相關的小麥，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，據聯合國糧食及農業組織（FAO）估計，到2050年，全球人口將增至96億，因此小麥產量需要增加60%才能養活這么多人口。

需要養活這么多人？小麥壓力山大。而從事小麥育種的科學家們，壓力更大。別人家的育種已經可以進行基因育種了，咱們的育種還停留在雜交育種，這怎么能行！

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

知識點來了，我們現在的小麥是由祖先野生的一粒小麥（烏拉爾圖小麥，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）自發雜交進而產生了六倍體小麥（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。有多復雜？小麥是由3個不同的基因組綁在一塊的，即幾個不同的物種雜交在一起，幾個基因組同時存在，其復雜程度不是簡單的成倍，3個基因組中序列超過90%是相似的，僅小部分是不同的。重復序列含量有多高？人的基因組大概有50%的是重復序列，而小麥差不多達到90%。

如此龐大、復雜、重復序列高的基因組破譯極具挑戰性，是一個實驗室或一個國家沒辦法完成的，這也就是為什么小麥全基因測序困難重重。長期以來，這被很多領域的科學家認為是一項不可能完成的任務。

天降大任，必有勇夫！2005年，英法澳美等國科學家發起并成立了國際小麥基因組測序聯盟，號召并組織全世界科學家協作開展小麥基因組測序。來自咱們國家的西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室的宋衛寧教授成為該聯盟決策委員會的成員之一。

在這個小麥基因組測序全球聯合攻關中，一個有意思的事就是測序所選用的材料是一個名叫“中國春”的品種。宋衛寧說，這是來自中國的地方小麥品種，這也是為什么我們在困難重重的情況下仍然堅持參與攻關。試想全世界小麥科學家采用來自中國的材料做出一項輝煌的成就，如果沒有中國團隊的參與，那將是一件非常尷尬的事情。

▲宋衛寧教授（右一）

這項國際性大協作研究工作，為何特別選用極富中國色彩的“中國春”品種？據宋衛寧介紹，“中國春”是種植在四川省成都平原的一個地方小麥品種。早在20世紀初，由傳教士傳入西方，上世紀四五十年代，美國著名學者西爾斯通過研究，從“中國春”衍生出一系列小麥染色體材料。于是，“中國春”成為小麥遺傳學最重要的遺傳材料和工具，促進了小麥細胞遺傳學的大發展，同時也直接推動了黑麥、大麥、燕麥等其他近緣物種的遺傳研究。

聯盟的科學家們對“中國春”的21條染色體進行了分離，聯盟各成員分別承擔了相關物理圖譜構建、細菌人工染色體測序和序列的組裝與分析等工作。宋衛寧教授實驗室作為中國唯一參與并承擔實質性研究工作的團隊，承擔了其中7DL染色體物理圖譜構建及序列破譯工作。

宋衛寧介紹說，小麥7DL染色體物理圖譜構建及序列破譯工作是一個全新的探索，沒有經驗可循， 7DL染色體的大小相等于整個水稻基因組，但物理圖譜構建及序列組裝、分析和破譯的工作量，要遠遠超過相應的水稻基因組。“我們實驗室做了這么多年，參與過的師生數量恐怕可以坐滿火車一節車廂了。”他笑著說。在此過程中，團隊成員基本沒有節假日、沒有寒暑假的概念，全力投入海量數據的測序和破譯工作，付出了極大代價，經費負數的時候，無奈向學校借了100多萬元，走錯了路重新再來的現象更是時有發生。但宋衛寧團隊頂住巨大的壓力，始終堅持不懈，先后爭取到國家“863”和其它項目的支持，沿著當初確定的目標持續發力。“十年磨一劍”，經過近10年的不懈努力，終于完成了7DL染色體物理圖譜構建及序列破譯工作。

2018年8月17日，美國《科學》雜志載文稱世界上首個六倍體小麥基因組圖譜完成。這一歷時13年，來自20多個國家70多家機構的200多位科學家參與完成的這一科研成果轟動世界。國際小麥基因組測序聯盟主席、澳大利亞墨爾本大學小麥育種專家Rudi Appels 評價該研究是“征服了遺傳學的‘珠穆朗瑪峰’！”

宋衛寧說，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一大步。這項“里程碑”工作為培育產量更高、營養更豐富、氣候適應性更強的小麥品種奠定基礎。

在去年8月世界上首個六倍體小麥參考基因組發布之后，宋衛寧教授實驗室沒有片刻停留便又投入到新的科研工作中。據宋衛寧介紹，大多數現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挑戰，尤其對于重復序列高、基因組龐大的復雜基因組。小麥參考基因組序列同樣存在大量的gap，比如在7D染色體長臂就發現了12114個gap，總長度約5.7Mb。

經過一年的努力，宋衛寧教授團隊在小麥7DL 的組裝基礎上，填補了超過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構和序列層面的變化，為解析小麥基因組的演化及其遺傳改良提供了重要的數據參考。在整個國際小麥測序聯盟中，宋衛寧教授實驗室是首個把基因組序列V1.0版改進為V2.0版的團隊，不但填補了龐大數量的序列“縫隙”，同時還完成了深度的比較基因組分析，走在全聯盟的前列。

“7DL染色體的序列改進是小麥參考基因組V1.0后的繼續和完善，可為升級版的小麥參考基因組v2.0提供參照。”據宋衛寧介紹，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聯分析等更加準確。

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

正是有了像宋衛寧教授這些硬核的科學家們，有效推動了世界科技進步，創造了小麥基因測序的輝煌成就，為人類糧食安全做出了重要貢獻，讓我們為這些科學家們點贊。

作者：農民日報、中國農網記者 胡明寶

監制：王澎；編輯：劉菁