小麥是最主要的全球性糧食作物之一，是人類獲取能量和營養的重要來源。為提高糧食產量，人們主要集中培育和推廣半矮稈稻麥品種。然而，育種中偏好選擇那些控制矮稈和能顯著提高收獲產量的特定基因，會忽略大量的其他可能有益的遺傳變異，導致小麥現代品種多樣性的丟失。
小麥遺傳多樣性日漸狹窄，不利于應對復雜的病蟲害和氣候變化的影響，在極端天氣頻發的今天，將使小麥生產面臨潛在的危機。找回小麥消失的遺傳多樣性，是解決問題的重要途徑。近日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）程時鋒團隊聯合國內外多家單位，利用基因組學等前沿技術，解析了上千份來自全球的小麥核心種質資源，找回了現代小麥品種丟失的遺傳多樣性“寶庫”，大大促進了小麥基因組設計育種的步伐。相關研究成果發表于國際期刊《自然》。
丟失的小麥基因
小麥歷史悠久，全世界有40%以上的人以小麥為主食。在歷史發展進程中，小麥逐漸適應各地的生態環境，形成豐富多樣的地方品種。然而，近百年間，眾多地方品種逐步被淘汰甚至消失。中國農科院基因組所研究員程時鋒告訴記者：“全球小麥看似品種非常多，但現代育種中，其攜帶的遺傳資源，在不斷地單一化。” 從上世紀初開始，以工業氮肥為代表的化肥革命、以矮稈化為代表的農業綠色革命，使高產、化肥適應性更好的小麥品種風行全球，最終遺傳多樣性越來越單一。“地方品種在過去被替代，主要和產量較低、抗倒伏性不強等原因有關，一旦遇到產量更高的現代小麥品種，農民往往就會遺棄栽培了多年的當地品種。”
近來，全球極端天氣頻發，新的病蟲害不斷出現，亟須培育新一代高產優質小麥品種。 “追溯作物進化和馴化過程中已形成的遺傳和表型多樣性，解碼和發現小麥優異性狀和變異是高效、精準的小麥育種的重要環節。”程時鋒說。尋回小麥消失的多樣性，讓小麥的遺傳資源更豐富，就可以讓育種家們有更多的選擇。
地方品種雖然越來越快地被淘汰，但并不意味著，它們全部徹底在世界上滅絕了。事實上，早在上世紀二三十年代，第二次世界大戰開始前，就有科學家著力保存那些消失的地方種，建立資源庫，如當時知名的潘氏小麥、沃氏小麥。
2018至2019年期間，程時鋒團隊開始了一項艱巨的任務，找到那些現代育種中丟失的基因。為此，程時鋒連續多次訪問英國，在保存沃氏小麥的科研機構英國約翰·英納斯中心，將沃氏小麥引入中國，“當時引進了上千份優異的小麥核心種質資源，其中包含百年前收集于歐洲、亞洲和非洲32個國家的827份地方品種。”
值得一提的是，800多份百年前的地方品種中，有118份收集于中國，是中國傳統的地方品種，他們在海外輾轉百年后，終于又回到了故鄉。
隨后，程時鋒所在的基因組所，聯合英國約翰·英納斯中心等國內外多家優勢單位，開始了對這些珍貴資源的研究。
古麥今用
2018-2019年期間，程時鋒團隊將這份多樣性豐富的全球地方品種的種質資源引入中國以后，先后在廣東、湖北、江蘇、河北、山東和黑龍江等地進行了廣泛和全面的表型鑒定和雜交試驗，對沃氏小麥地方品種在中國的適應性情況進行了全面摸底，并對其在我國不同生態區的表現進行了系統鑒定：每一株小麥的性狀，何時出苗，怎樣分蘗，節間距長短，穗粒數多少……
由于沃氏小麥收集于綠色革命之前，所以具有豐富的遺傳多樣性，具有極高的研究價值。通過與現代品種的比較，科研人員發現，現代小麥品種經過長期的人工定向選擇，僅來自于7個祖先群中的2個，67%以上的遺傳多樣性丟失。
其實，養活當地人民數千年的各個地方小麥馴化品種，已經能夠很好地適應當地環境，但與現代品種相比，產量相對較低，植株較高。然而，地方品種較少受到歷史和地理瓶頸效應的影響，使得其往往能保有豐富的遺傳多樣性，但尚未在現代品種中得到充分利用。有少數主要效應性狀，如抗病基因，通過現代品種與地方品種進行異花授粉，得以產生具有優良性狀的后代；但地方品種中的優異變異大多數以稀有或低頻方式分散在少數品種中，一些復雜數量性狀的解析更是面臨多重技術、科學和經濟上的挑戰，使得現代育種中很少使用地方品種。
因此，即使地方品種蘊藏著巨大的提升作物育種價值的優異遺傳多樣性，但從中鑒定、發掘和利用現代品種中缺失的新的遺傳多樣性，需要克服一系列的育種障礙，包括開發地方品種的基因組資源，構建其遺傳資源和充分的表型數據集，并進行一系列目標基因的功能性驗證和育種價值的確認。
科研團隊通過現代生物學技術，進行多樣性種質資源的遺傳和表型變異圖譜繪制工作，對引進的小麥種質群體基因組信息進行解析，構建全球小麥單倍型圖譜，深度挖掘其潛在的、未被開發的基因資源和有利變異。結合英國歷史上的表型數據集合，形成了一套史無前例的小麥表型組矩陣。
在研究中，程時鋒團隊和合作者們，已經發掘并驗證了多種未被利用的優異變異的功能和育種價值，比如挖掘到調控小麥高產、氮高效利用、適應性和營養品質的新基因和關鍵的有利變異位點等。
“沃氏小麥地方品種群體這一寶貴種質資源的引入，將為拓寬我國小麥的遺傳基礎、提高我國小麥的遺傳多樣性奠定堅實的基礎。”中國科學院院士李家洋說。
設計育種
在科學界，小麥基因組和遺傳育種研究被稱為作物界的“珠穆朗瑪峰”。這是因為小麥是異源六倍體，簡單來說，它有6套基因組，而水稻是2倍體，人類也是2倍體。也就是說普通小麥的基因組大小，大約是水稻的40倍、人類的5倍。
為破解小麥的遺傳密碼，研究團隊與國際合作者一起，提出了一套小麥全基因組設計育種的策略，包括解碼、發現、設計和最終的實現。
“解碼，對引進的小麥種質群體基因組信息進行解析。”程時鋒說，“發現就是通過現代生物學技術，去鑒定那些優異的遺傳基因，這個工作中，團隊共鑒定出超過8000個遺傳效應位點，并在這些遺傳效應位點中，分析沃氏小麥所攜帶的有利變異。”
在解碼和發現的基礎上，團隊分析了各大性狀相互之間的相關性，量化什么樣的品系攜帶了什么樣的有利性狀和優異遺傳變異。“并不是找到優異基因就能開展聚合育種，因為性狀之間存在著千絲萬縷的關系，有的優異性狀，可能和某些性狀有負相關性，比如產量高，但籽粒蛋白少，再如粒重變高，粒數卻變少等。這種現象在學術領域，被稱為性狀間的拮抗關系，你想用好的，無意中也可能會帶來壞的。只有深度理解和精準打破這一關系，才能在現代小麥育種中真正利用和聚合那些想要利用的優異基因。”程時鋒說。
為此，科研團隊開發了一系列相關的工具，如特定目標性狀的遺傳位點定位、聚合和分子標記輔助檢測工具等，這成了遺失優異資源得以利用的基礎。在這些工具的幫助下，程時鋒團隊和英國合作者，將發現的100余個高質量的沃氏小麥親本所攜帶的特有的有利等位基因片段，通過雜交、回交的方式導入現代品種，形成了700多個單片段替換系，驗證和利用了沃氏小麥在產量、抗病、營養等性狀上，對于現代小麥育種巨大的利用價值，為未來精準智能育種奠定基礎。
