小米是我國北方日常飲食中的重要糧食之一，產(chǎn)出小米的植物叫“谷子”。作為一種古老的作物，谷子是從狗尾巴草馴化而來，但其馴化改良的過程一直成謎。現(xiàn)在，這個謎題終于解開了。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所刁現(xiàn)民團隊經(jīng)過數(shù)十年研究，組裝了谷子第一個高質(zhì)量圖基因組，繪制了首個狗尾草屬變異圖譜，系統(tǒng)闡明了谷子起源及馴化改良的過程。相關(guān)成果于北京時間昨天（8日）23時發(fā)表在《自然·遺傳學(xué)》上。谷子的基因密碼是如何解開的？這對谷子的未來發(fā)展有什么重要意義？
谷子：古老的作物 曾經(jīng)的主糧
谷子是世界上最古老的馴化作物之一，也是亞洲農(nóng)耕文明形成的主體作物。谷子在農(nóng)耕文化中長期占據(jù)主糧地位。隨著小麥水稻等作物綠色革命的興起，谷子作為主糧的優(yōu)勢被逐步削弱。時至今日，谷子的籽粒小米依然深受人們喜愛。我國老一輩科學(xué)家早在1942年就確定了青狗尾草是谷子的野生祖先。但目前，與其他大作物相比，谷子產(chǎn)量水平仍然很低，主要原因是人們對谷子的育成種群體結(jié)構(gòu)、演化歷史等沒有清楚的認(rèn)識。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員刁現(xiàn)民進一步解釋，最根本的問題就是要解讀出谷子的基因組這部“天書”。
刁現(xiàn)民：谷子基因組變異水平仍然不是很清楚，特別是在結(jié)構(gòu)變異上、在圖基因組上沒有什么信息，因為原來測序深度都很低。資源的表型鑒定，就是記錄一些信息，沒有可重復(fù)，記錄信息不完整。在馴化和谷子育種中，究竟哪些基因、哪些區(qū)段、哪些位點經(jīng)過了選擇，也不清楚。
幾十年如一日
繪制出首個谷子高質(zhì)量圖基因組
1987年，大學(xué)畢業(yè)的刁現(xiàn)民便開始搜集谷子的種質(zhì)資源，逐步進行系統(tǒng)化研究。三十多年間，研究團隊收集了1004份栽培谷子和野生谷子，結(jié)合已發(fā)表的840份材料，共1844份種質(zhì)資源，利用深度重測序?qū)茸舆M化進行了詳細的群體遺傳分析。在中國農(nóng)科院作科所所長周文彬的印象中，這個團隊在田間和實驗室“兩點一線”，幾十年如一日。
周文彬：我每次去他們實驗室，黑壓壓的一片都在工作。要么在田間，要么在實驗室里面，幾十年如一日，把谷子這樣一個雖然是雜糧作物、小作物，變成了一個大有作為的作物，與他們團隊辛勤的努力工作，幾十年如一日的拼搏分不開。
谷子群體遺傳特征分析 （中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 供圖）
最終，團隊從頭組裝了110個谷子和狗尾草高質(zhì)量基因組，繪制了首個狗尾草屬基因組變異圖譜，構(gòu)建了首個雜糧和C4作物高質(zhì)量圖基因組。
刁現(xiàn)民：經(jīng)過測序以后，對它進行很清楚地聚類，可以很清楚地看到狗尾草是什么樣子，谷子是什么樣子。尤其是最清楚地看了谷子可以分成三類，狗尾草分成四類。我們也可以推出來，下來的春谷和夏谷是從C3最早的那一類演化而來的。
110份代表性材料及泛基因組特征（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 供圖）
同時，團隊在13個地理環(huán)境下對680份資源進行了68個性狀的表型調(diào)查，形成了226組群體表型數(shù)據(jù)和表型組數(shù)據(jù)庫；將基因組變異和表型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，發(fā)掘出1084個與表型顯著關(guān)聯(lián)的重要性狀相關(guān)位點。
團隊成員、中國農(nóng)科院作科所博士后 賀強：所有的禾谷類作物，比如水稻、小麥、玉米、高粱，我們是想它的籽粒越來越大、產(chǎn)量越來越高，通過分析，我們獲得了其中一個基因叫SiGW3，通過對它的篩選，使谷子的籽粒越來越大。這是其中一個例子，我們發(fā)現(xiàn)了大量這樣的東西。
谷子基因“天書”解密
育種進程掀開新篇章
基因組學(xué)研究是生物學(xué)研究和精準(zhǔn)設(shè)計育種的基石。用中國科學(xué)院院士、中國農(nóng)科院作科所研究員錢前的話說，此次形成的谷子圖基因組數(shù)據(jù)庫，破解了谷子基因“天書”。
錢前：他們把谷子基因組這么復(fù)雜的“天書”給破解了，這對谷子的遺傳、對禾本科的遺傳都是非常有意義的。復(fù)雜農(nóng)藝性狀是比較難以揭示它的規(guī)律的，但是現(xiàn)在有了“天書”，有了立體基因組圖，我們都可以做了。
值得一提的是，谷子基因“天書”的解密也為考古提供了有力佐證。刁現(xiàn)民表示，遺傳學(xué)證據(jù)清楚表明谷子的單起源，全世界的谷子都是來自中國。
刁現(xiàn)民：只有我們國家有1萬年以上的谷子，從考古學(xué)上，而且考古現(xiàn)在核心點在哪兒，什么年代到哪兒，現(xiàn)在都很清楚。比如最古老的谷子就在門頭溝，11500年。太行山的東麓、燕山兩側(cè)也很古老，然后擴展到四川。4000年到了高加索，3600年到了匈牙利一帶，3200年到了意大利。
小米和谷穗（圖源：視覺中國）
首張谷子圖基因組的誕生為未來谷子及其他作物育種工作提供了重要的參考和指導(dǎo)，為未來谷子在產(chǎn)量、品質(zhì)等方面的改進打開了一扇門。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜認(rèn)為，有了這一基礎(chǔ)，谷子從雜糧變回主糧有了可能性。
田志喜：谷子，養(yǎng)育了中華民族，孕育了中華文明，它起到的作用是不可比擬的。谷子從主糧慢慢變?yōu)榉侵骷Z，也就是咱們常說的雜糧，大家也應(yīng)該有一個清醒的認(rèn)識，主糧和雜糧是可以變的。比如玉米以前是引進的，現(xiàn)在也變成了主糧。我個人認(rèn)為也可以從雜糧、非主糧變回主糧，都是有可能的。當(dāng)然怎么變回去，需要科學(xué)家的努力。
刁現(xiàn)民表示，近幾年，團隊在繼續(xù)追求谷子產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，將重點攻克品質(zhì)的提升，提高黃色素、葉酸等功能成分，讓我們碗里的小米更好吃、更營養(yǎng)。
