小麦基因组测序 为第三代育种绘制“高清地图”

   不久前，中国科学院遗传与发展生物学研究所在国际著名期刊《自然》上发表的论文称，该研究小组已完成小麦A基因组测序和染色体精细图谱绘制。这是继2013年小麦A基因组祖先乌拉尔图小麦基因组草图成功绘制并发表在《自然》之后，该领域的又一重大成就。

   中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员凌宏清告诉《科技日报》：在世界三大粮食作物中，水稻和玉米基因组的测序已经完成，这极大地促进了这两种作物的基础和分子育种研究。然而，由于小麦基因组的特殊性和复杂性，基因组测序研究进展缓慢，制约了小麦功能基因组学和品种改进研究。

   最时尚的小麦育种技术

   随着全球作物育种技术的不断发展，育种者已经进入了第三代育种时代。

   根据作物的性质进行育种，如传统的杂交育种，是第一代。采用这种方法，不需要知道为什么作物的性状形成机制，直接选择性状。然而，由于作物的性质受到环境的影响，这种选择方法是对基因的间接选择，效果较低，有时无法幸运选择能够控制优良性状的基因。因此，培育一个品种通常需要很长时间。

   第二代是分子标记育种。人们逐渐意识到作物的性质是染色体上某一段DNA序列决定。研究人员试图找到一些与特征密切相关的分子标记，并在培育后代品种时选择这些标记，最终实现特征的定向选择。这种方法比第一代技术可靠，但与准确的靶向寻找优秀的特征基因仍有差距。

   最时尚的是基因组育种——―分子育种。利用高通量测序技术对群体进行研究，可以定位和控制作物的目标性状基因，通过序列辅助筛选培育新品种。

   但是，为了实现基因组育种，必须对作物进行基因组测序。有了基因组序列，就可以开发出大量的分子标记，全面识别重要的农业特征基因。比如有了它，你手里就有了详细的基因位置地图。根据地图，我们可以轻松、快速、准确地找到控制某一特征的目标基因，并识别其优异的等位变异。凌宏清说。

   巨大的基因组成测序是最大的困难

   小麦是世界三大粮食作物之一，也是世界上栽培最广泛的作物，年产量超过6.2亿吨，世界35吨%上述人口的口粮。其持续增产稳产关系到世界粮食安全。

   近十年来，中国和其他主要小麦生产国的小麦生产增长放缓，加上全球气候变化，小麦生产面临着严重的挑战。迫切需要加强对品种改良和育种的研究，以满足实际生产的需要。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员张爱民说。基因组育种技术无疑是最能满足这一迫切需要要求的。然而，要使用它，最悲哀的是基因组测序关闭。

   世界上有不同类型的二倍体一粒小麦、四倍体二粒小麦和六倍体普通小麦。其中，普通小麦对环境的适应性更强，成为当今广泛种植的小麦。

   普通小麦由三个二倍体祖先种植(A，BD)是一种具有42条染色体的异源六倍体物种，两次自然异交并自然加倍。普通小麦基因组巨大，是人类基因组的5倍，水稻基因组的40倍。基因组结构也极其复杂，重复序列约占整个基因组序列的85倍%―90%。基因组的巨大、多倍化和高重复性给小麦基因组的测序和组装带来了巨大的挑战。

   全球攻关，测序初告完成

   小麦基因组测序可以充分阐明小麦生长、发育、抗病、抗逆、高产的分子机制及相关规律，大大促进其遗传育种研究，带来育种新变化。目前，在全球生物学家的集体研究下，小麦基因组测序已初步完成。

   2005年，美国、法国等国的科学家发起并成立了国际小麦基因组测序联盟，组织全球20多个小麦主要生产国的科学家合作进行小麦基因组测序。普通小麦3于2008年完成B单个染色体的物理图谱构建于2014年完成了染色体的测序和组装。联盟最近声称已经完成了普通小麦品种中国春的测序和精细组装。

   与此同时，国内外科学家对与小麦起源相关的供体祖先种子进行了大量的基因组测序研究。

   小麦二倍体的祖先是小麦形成的基础，在小麦多倍进化过程中起着核心作用。对二倍体祖先基因组的分析不仅可以为普通小麦基因组的分析提供重要参考，简化小麦基因组的测序难度，还可以为小麦进化驯化研究提供重要信息，为普通小麦的综合分析和改进奠定基础。

   在小麦A、D中国在基因组二倍体供体物种基因组测序方面取得了重要进展。2013年，中国科学院遗传与发育生物学研究所和中国农业科学院作物科学研究所分别完成了乌拉尔图小麦（A粗山羊草(D最近，基因组的草图绘制完成了基因组的精细图谱绘制。这也使我国小麦基因组测序研究进入世界先进行列。通过对基因组序列的比较分析，研究人员确定了一批控制小麦籽粒长度、千粒重、株高、落粒性、抗病性等重要农业特征的基因，并从分子水平上解释了小麦基因组巨大的原因，并推断出了小麦A基因组7个染色体进化模型。

   野生二粒小麦是普通小麦起源的重要祖先。2015年，以色列、美国、加拿大等国的科学家成立了野生二粒小麦测序联盟，构建了野生二粒小麦超高密度SNP四倍体小麦的全基因组测序采用最新的基因组装技术完成。

   功能基因组学研究的新阶段即将到来

   小麦基因组测序的完成，特别是精细图谱的获取，将为小麦功能基因组学研究提供一个重要的平台。凌洪庆说。他说，精细图谱是多功能的，例如，它可以用来开发大量的分子标记，加速重要农业特征基因的遗传定位，有效、系统地克隆小麦的重要功能基因，分析小麦高产、抗逆、高质量等重要特征的分子机制；参考精细图谱，基因组重测序可以揭示小麦不同种质资源的优良基因组成，为杂交育种的基本选择和群体设计提供理论基础；功能分子标记的识别和开发可以直接选择基因类型，提高育种选择的准确性和效率。

   特别令专家欣慰的是，随着小麦基因组序列的不断完善，小麦基因组学的研究将从目前的结构基因组学进入功能基因组学的研究阶段。届时，基因克隆、基因功能发现、表达分析和代谢调节方法分析的研究将取得巨大进展。凌宏清表示，虽然他们的论文成果注释了基因，但大多数基因的分子机制并不清楚，这将是他们下一步研究的目标。