中國網/中國發展門戶網訊 作為世界總產量排名第二的糧食作物，小麥在世界各地被廣泛種植，養活了全球近 40% 的人口。預計到 2050 年世界人口將增長至 96 億，為了滿足這一未來需求，小麥生產力需要每年增加 1.6%，這必須通過對作物及其性狀的改良來實現。由於普通小麥是異源六倍體，基因組龐大且複雜（是水稻基因組的 40 倍、人類基因組的 5.5 倍），其功能基因組學研究遠遠落後於水稻和玉米，複雜的遺傳背景一直以來也是制約重要農藝性狀的基因克隆和分子設計育種技術發展的瓶頸。2005 年，美、法等國科學家發起併成立了國際小麥基因組測序聯盟（International Wheat Genome Sequencing Consortium，IWGSC），組織全世界 20 多個小麥主要生產國的科學家協作開展小麥基因組測序。
我國作為世界最大的小麥生產國和消費國，小麥生產對保障國家糧食安全和農業可持續發展具有重大現實和戰略意義，因此小麥的增產和品質改良變得尤為重要。然而，產量和品質等重要農藝性狀都是受多基因和環境互作影響的複雜數量性狀，單純依靠現有常規育種技術已經難以滿足我國糧食安全和人民日益增長的美好生活需要。因此，加快對小麥基因組和分子遺傳育種的研究勢在必行。
中國科學院戰略性先導科技專項（A類）“分子模塊設計育種創新體系”（以下簡稱“分子設計育種先導專項”），提出並建立了從“分子模塊”到“品種設計”的現代生物技術育種創新體系，從而快速實現全基因組水平多模塊優化組裝並培育新一代超級品種，同時也對我國小麥遺傳學研究和分子改良育種提供了新的發展契機。文章將對專項實施期內小麥相關研究成果和未來研究方向的展望進行梳理。
小麥基因組研究取得重大突破
普通小麥是一個 AABBDD 的異源六倍體，其形成涉及 3 個原始祖先物種和 2 次天然雜交。大概 50 萬年前，祖先種烏拉爾圖小麥（Triticum urartu）和近緣種山羊草雜交加倍後形成異源四倍體 AABB。大概 8 000—10 000 年前，這個異源四倍體又與野生粗山羊草雜交加倍後才產生了 AABBDD 的異源六倍體，這導致普通小麥的基因組龐大而複雜。由於水稻和玉米相對簡單的基因組較早被破譯，已經使得二者的分子設計育種理論和技術日趨完善。鑑於此，高質量小麥參考基因組序列圖譜是小麥分子設計育種研究取得突破性成果的關鍵。
我國在麥類作物基因組研究方面作出了很多突出貢獻，包括 AA 基因組和 DD 基因組的精細圖譜繪製，以及參與了“中國春”AABBDD 六倍體小麥精細圖譜的部分繪製工作。其中，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。中國科學院遺傳與發育生物學研究所（以下簡稱“遺傳發育所”）小麥研究團隊利用二代測序技術對烏拉爾圖小麥進行了全基因組測序，於 2013 年完成了小麥 A 基因組草圖的繪製。註釋出了 34 879 蛋白編碼基因，預測出了 1.6 萬多個簡單重複序列（simple sequence repeat，SSRs）、73.9 萬多個插入位點的多態（insertion site-based polymorphism，ISBPs）和 340 多萬個單核苷酸多態（single nucleotide polymorphism，SNP）分子標記，相關研究結果發表在 Nature 雜誌上。之後，團隊成員構建了二倍體烏拉爾圖小麥 A 基因組的 BAC 文庫和物理圖譜，通過 BAC-by-BAC 測序，並結合三代 PacBio 測序和最新基因組物理圖譜構建等技術（10×Genomics，BioNano），完成了小麥 A 基因組的精細圖譜繪製。基因組大小為 4.94 Gb，組裝的 Contig（無N）序列總長為 4.79 Gb（為基因組的 97%），Contig N50 為 344 kb；Scaffold（含 N）序列總長為 4.86 Gb（為基因組的 98.4%），Scaffold N50 為 3.67 Mb。註釋出了 4 1507 個蛋白編碼基因，81.42% 的基因組序列為重複序列。通過比較基因組學研究，鑑定出了小麥 A 基因組在進化過程中發生結構變異，並演繹出了小麥 A 基因組 7 條染色體的進化模型，為小麥進化分析和基因克隆提供了一個高質量的參考基因組。相關研究結果發表在 2018 年 Nature雜誌上。
此外，美國的研究團隊利用經典的 BAC-by-BAC 測序結合 Bionano 和三代測序技術，中國農業科學院賈繼增團隊採用二代結合三代測序技術和 NRgene 組裝技術，分別繪製完成小麥 D 基因組供體粗山羊草（Aegilopst auschii）的參考基因組精細圖譜，研究結果分別發表在 2017 年的 Nature 和 Nature Plant雜誌上。與此同時，小麥四倍體祖先種野生二粒小麥（Triticum dicoccoides）的 AABB 基因組序列解析結果發表在 Science 雜誌上。尤其重要的是，國際水稻測序聯盟採用流式細胞儀分離技術將普通小麥“中國春”（Chinese Spring，CS）的染色體進行分離，利用二代測序和 NRgene 組裝技術分染色體解析註釋了 CS 的參考基因組序列並公開釋放（RefSeq-v1.0）。這應該是目前小麥染色體級別組裝最好的版本。
截至 2018 年 8 月，六倍體小麥及其親緣種 AA、DD、AABB 和 AABBDD 的精細基因組序列圖譜均已繪製完成，這為小麥的功能基因組學、比較基因組學和進化基因組學研究奠定了基礎；尤其在全基因組水平上認識小麥的起源、馴化、人工選擇以及重要農藝性狀形成的遺傳和表觀遺傳調控機制，挖掘優異等位基因並利用於育種，對保障我國糧食安全和農業可持續發展意義重大。
成功實踐“模塊耦合育種”理論
“分子模塊耦合育種”理論的提出是分子設計育種先導專項的理論創新，經過多年的攻堅努力，目前該理論在小麥育種領域已經得到實踐驗證，成績斐然。西南地區是我國小麥主產區之一，也是小麥條鏽病的主要發源地。培育抗條鏽病小麥新品種是對於從源頭上防治我國小麥病害尤為重要。在“多模塊耦合育種”理論的指導下，中國科學院成都生物研究所小麥研究團隊通過耦合抗條鏽病分子模塊 Yr7 和 Yr17、無芒性狀分子模塊 Xgwm291 和矮稈分子模塊Rht-D1b 育成了抗倒、抗病、優質、無芒、適宜機械化收割的小麥新品種“川育 25”。通過耦合大粒分子模塊 QTkw.saas-5B 和抗條鏽病分子模塊 YrCH42 育成的高產抗病品種中“科麥 138”，是四川省近 10 年來唯一一個在區試和生產試驗中產量提高均超過 10% 的突破性新品種，被列為 2016 年四川省主導小麥品種。通過導入糯性分子模塊（Wx-A1b、Wx-B1b 和 Wx-D1b）和低 PPO 分子模塊Ppo2A1b/Ppo2D 1a 育成的全糯專用優質小麥品種“中科糯麥1號”，實現了優質、高產、抗病等多個優良性狀的有機結合，在食品加工與釀酒領域具有廣闊的應用前景。截至 2018 年，這 3 個模塊新品種累計推廣面積已達 158 萬畝，對我國西南地區小麥新品種升級換代起到了引領作用。
解析耐鹽、耐旱分子模塊
我國環渤海地區擁有 4 000 多萬畝中低產田和 1 000 多萬畝鹽鹼荒地，長期遭受旱、澇、鹼災害。培育抗旱、抗鹽鹼的小麥新品種對於當地農業的增產和增收尤為重要。2017 年遺傳發育所培育的“小偃 60”通過了河北省農作物品種委員會審定（冀審麥 2016030 號）。滄州的運東地區（運河以東地區）是土壤鹽鹼程度較為嚴重地區，截至 2018 年，“小偃 60”在該地區的累積示範推廣面積已達 21 000 畝。通過構建“中麥 175”與“小偃 60”的重組自交系群體，利用小麥 55K SNP 芯片構建遺傳連鎖圖譜，並結合苗期和大田成株期耐鹽相關表型的調查數據，目前已經定位到耐鹽相關的數量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）數十個。通過轉錄組學分析發現，“小偃 60 ”可能通過調節光合作用和茉莉酸信號通路增強自身的耐鹽、耐旱性。
研究展望
小麥全基因組測序和關聯分析
現有測序數據已經表明，六倍體小麥與二倍體、四倍體小麥基因組非常相似，說明多倍體形成之後的基因損失是有限的。不過小麥基因組的一個特點是含有大量的重複序列，而且這些序列高度相似又不完全相同。因此，精確定位和分離小麥基因及轉錄本的難度還是挺大的。目前，長片段三代測序技術日益普遍，這無疑為小麥基因組和轉錄組的測序提供了便利。期望後續測序技術的變革和分析方法的改進可以進一步補充完善現有普通小麥基因組精細圖譜，或是完成更多小麥品種的基因組組裝和註釋。
在小麥參考基因組序列圖譜繪製方面，我國科學家已經走在了前列，併為我國小麥功能基因組學研究搭建了良好的平臺。此外，伴隨測序成本的不斷降低，預期未來幾年內小麥全基因組重測序和關聯分析研究會成為重要的發展方向。譬如，利用小麥近緣種、農家種、主栽品種及其遠緣雜交所構建的易位系、附加系、代換系，以及飽和突變體庫等材料進行全基因組重測序，重點開展小麥及其親緣種複雜性狀的基因組學、表觀基因組學、比較基因組學和進化基因組研究，在全基因組水平上揭示小麥起源與馴化的歷史，以及多倍體、二倍化的遺傳與表觀遺傳學機制，解析小麥重要農藝性狀形成的遺傳調控網絡，挖掘並利用優異等位基因。此外，野生種質資源研究已經從野生資源的收集、保存轉向深入研究和利用，通過遺傳群體構建或是多種質資源的深度重測序，充分利用和挖掘野生遺傳資源將有利於改良現有作物品種。
表型分析平臺建設和技術創新
我國現有小麥種質資源豐富，構建的遺傳群體數目龐大，用於表型鑑定花費的人力物力不計其數。如何快速準確地獲得小麥單株或品系的表型數據，一直是育種家和研究者面臨的困境。表型分析平臺就是新興的、可以進行種質資源表型研究和精準鑑定的大型科學裝置或設施。遺傳發育所的攻關團隊針對作物株型和穗型等三維構象，利用高分辨激光/軟射線成像系統、高精度圖像解析與重建等方法和技術，搭建了水稻、小麥等品系株型和穗型的表型分析平臺。此外，無人機搭載高清攝像機或紅外儀等，通過遙感技術實現對大範圍田間作物的表型採集工作，已在陸續開展。這些新技術、新方法的推廣應用將進一步推動種質資源的利用和品種的選育過程。
小麥功能基因組研究
當前，功能基因組學已成為目前生命科學的競爭熱點與重點發展方向。隨著人類基因組、模式動植物基因組等測序工作的相繼完成，生命科學已從整體上進入以功能基因組學研究為核心的後測序時代，世界各國對各種後測序基因組計劃高度重視。例如，歐美等發達國家和地區先後啟動了多個物種的 ENCODE 計劃和四維細胞核組學項目。但是，我國在複雜多倍體基因組及其功能基因組學領域還處於跟蹤與追趕階段。多倍體小麥參考基因組的問世，為我們提供了很好的契機。如何借鑑模式植物擬南芥和水稻功能基因組研究的成功經驗，結合小麥基因組的自身特點，開發一套適合小麥突變體的快速圖位克隆技術，應該是小麥研究人員共同面臨的一個課題。
Mut-Map 是利用野生型和突變體構建的分離群體進行測序並快速定位功能基因的成熟技術。鑑於小麥巨大基因組和昂貴的測序成本，科研人員可以同時藉助轉錄組測序、捕獲測序、RNA-Seq 和重測序等多重手段幫助實現小麥功能基因的快速定位。BSR-Seq 技術就是融合集群分離分析（bulked segregant analysis，BSA）和 RNA-seq 分析，可以實現小麥基因快速定位的一種方法。
基因編輯技術是利用人工核酸酶對基因組進行靶向修飾的遺傳工程技術，是當今生命科學領域的研究熱點。遺傳發育所高彩霞團隊一直致力於作物基因組編輯方法的研究和應用。2014 年，該團隊首先利用 TALEN 技術敲除小麥 MLO 基因實現對白粉病的廣譜抗性。CRISPR/Cas9 基因編輯系統由於設計簡便及高效的特點，已經成為目前應用最為廣泛的基因編輯技術。之後，該團隊又率先在小麥、水稻和玉米三大重要農作物成功實現了單鹼基編輯技術並運用到性狀改良上。此外，通過將 CRISPR/Cas9 蛋白和 gRNA 在體外組裝成核糖核蛋白複合體（RNP），再利用基因槍法進行轉化和定點編輯，該團隊已在小麥中成功建立了全程無外源 DNA 的基因組編輯體系。這種 DNA-free 的基因編輯技術具有精準、特異、簡單易行、成本低廉的優勢，並且有助於最大程度的減少監管，建立起精準、生物安全的新一代育種技術體系，加快作物基因組編輯育種產業化進程。
芯片開發及輔助育種
長期以來，侷限於小麥功能基因的數量和註釋信息太少，分子輔助育種技術一直無法推廣；伴隨基因組測序和基因克隆技術的發展，相信會有越來越多的小麥功能基因被克隆和應用到分子育種實踐中。近年來，小麥 SNP 芯片的開發和應用更為普及，多個國內單位和公司合作開發的新芯片相繼推出。這些 SNP 檢測技術將為小麥全基因組關聯分析、重要基因 /QTL 連鎖定位以及育種親本及後代材料的分子檢測提供重要的技術支撐。已有文章報道，利用 Illumina Infinium iSelect 90K SNP 芯片技術結合 BSA 集群分離分析法可以實現對大規模的小麥新品系或品種中抗白粉病基因的定位。
此外，育種芯片的開發和應用極大提高了高通量篩選鑑定後代群體的效率。小麥傳統常規育種一般依靠品種間雜交，因此導致遺傳多樣性的喪失。植物細胞與染色體工程國家重點實驗室在李振聲院士的帶領下，長期致力於小麥遠緣雜交和染色體工程育種研究，成功將偃麥草的染色體組、染色體、染色體片段導入小麥，育成小偃麥八倍體、異附加系、異代換系和易位系等雜種新類型，以及“小偃 6 號”等高產、優質、廣譜抗病小麥品種。但是，小麥遠緣雜交育種研究一直以來還侷限於在細胞遺傳學水平上。藉助於基因組測序技術和育種芯片的開發，相信會更快地推動小麥遠緣雜交品種的選育進程。（作者：傅向東 劉倩 李振聲 張愛民 凌宏清 童依平 劉志勇 中國科學院遺傳與發育生物學研究所北京《中國科學院院刊》供稿）
閱讀更多 中國發展門戶網 的文章
