看似普通的小麥，這次卻搞出了大動靜，登上全球科學(xué)界的關(guān)注榜。
20余個國家、70多家機(jī)構(gòu)，200多位科學(xué)家，在國際小麥基因組測序聯(lián)盟(IWGSC)的牽頭下，花費(fèi)13年時間，才終于完成了這部令人驚嘆的“密典”——這就是世界上首個完整版六倍體小麥“中國春”的基因組圖譜。
這項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價為“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)國家重點(diǎn)實驗室的宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊，是參與這一基因組圖譜破譯工作的唯一中國團(tuán)隊。
“這一研究的意義，類似對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)寧告訴中國青年報·中青在線記者：小麥倒不倒伏、耐不耐旱、種子是大還是小、營養(yǎng)價值高不高，“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，這個世界最大的小麥生產(chǎn)與消費(fèi)國，年種植小麥面積有2400萬公頃左右、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：它是唯一一個尚未完成全基因組測序的物種。
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，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，“小麥基因組測序”曾被媒體戲稱為“噩夢般的挑戰(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)”。
對于研究者來說，基因組圖譜的缺乏就像橫亙在兩座山峰間的“天塹”，使得小麥育種者很難跟蹤小麥基因的“代序傳遞”。而對試圖改變其特定DNA序列的基因工程師，更是“老虎吃天，無處下爪”。
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”。
這樣的國際性研究，為何選定“中國春”品種？宋衛(wèi)寧介紹，“中國春”是種植在四川省成都平原的一個地方品種。早在20世紀(jì)初，通過傳教士傳入西方。上世紀(jì)四五十年代，美國著名學(xué)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。
“這使得‘中國春’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?，小麥成為那個年代的模式作物，同時也直接推動了黑麥、大麥、燕麥等其他物種的遺傳研究。
在各國科學(xué)家努力下，一項又一項令人振奮的成果先后面世。事實一次次證明：“珠峰”也并非高不可攀。
事實上，在小麥測序研究領(lǐng)域科學(xué)家們的不斷努力下，令人振奮的成果也一項項先后問世：2008年，法國農(nóng)科院研究團(tuán)隊發(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“中國春”染色體物理圖譜構(gòu)建完成；同年，美國加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊獲得小麥祖先D基因參考序列……
對于世界首個六倍體小麥基因組圖譜來說，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。”宋衛(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—構(gòu)建物理圖譜—測序’。”
首先，依照大小、長短，將所有染色體統(tǒng)一進(jìn)行分離?！爸袊骸钡?1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，還可拆分為長臂和短臂。
染色體的最初分離，與細(xì)菌人工染色體文庫的構(gòu)建，由捷克的研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)。之后，由IWGSC協(xié)調(diào)委員會牽頭，各國成員依照自身條件“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)菌人工染色體測序(BAC測序)。
最終，20多個國家的科研人員，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10.7萬個基因，超過400萬個分子標(biāo)記，以及影響基因表達(dá)的序列信息。
宋衛(wèi)寧團(tuán)隊負(fù)責(zé)的，是對小麥染色體“7D中長臂”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中長臂’的破譯，是一個全新探索，沒有經(jīng)驗可循?！彼涡l(wèi)寧說，僅“7D中長臂”染色體的大小，就已相等于整個水稻的基因組大小。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)寧打了個形象的比方。在西北農(nóng)林科技大學(xué)為團(tuán)隊提供的科研支持下，團(tuán)隊成員基本沒有節(jié)假日、寒暑假的概念，全力投入海量數(shù)據(jù)的測序和破譯工作。
“中國春”基因組圖譜的繪制完成，“可以說獲得了研究小麥的一個‘密碼本’?！彼涡l(wèi)寧表示，它使科學(xué)家對小麥生長發(fā)育規(guī)律的了解發(fā)生了質(zhì)的飛躍，也為未來人類更好地利用小麥做了重要鋪墊。
“有了這本‘參考書’，從前做不出來的實驗，現(xiàn)在就有可能做出來了。之前研究過的，還可以繼續(xù)做得更通透?！逼駷橹梗槍@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，新的發(fā)現(xiàn)也已開始起作用。例如，比利時植物遺傳學(xué)家安杰·羅德報告稱，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，我們還將繼續(xù)開展序列分析工作，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，培育高產(chǎn)、抗旱、抗鹽、抗病蟲的小麥新品種，以更好應(yīng)對全球氣候變化及人口增加帶來的食品短缺挑戰(zhàn)，為小麥基因組改良工作奠定基礎(chǔ)?！彼涡l(wèi)寧表示。
來源：中國青年報