三夏季節(jié)，全國3億畝小麥正在緊張地收獲中，和過去相比，小麥產(chǎn)量越來越高，但很少有人了解，小麥卻正在變得越來越脆弱。
從上世紀(jì)初開始，以工業(yè)氮肥為代表的化肥革命、以矮稈化為代表的農(nóng)業(yè)綠色革命，急劇改變了小麥1萬年的馴化史和全球小麥遺傳多樣性組成。短短100年間，高產(chǎn)、化肥適應(yīng)性更好的新品種風(fēng)行全球，替代了豐富多樣的地方品種。
然而，小麥產(chǎn)量快速提高的同時，生物多樣性也在快速消失。100年后的今天，多樣性匱乏的結(jié)果逐漸顯現(xiàn)，面對急劇變化的全球氣候，小麥這個全球30多億人的主食，正在面臨著重重危機(jī)。
找回100年中消失的遺傳多樣性，是解決未來危機(jī)的重要途徑。6月17日23時，國際頂尖期刊《自然(Nature)》刊登了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所聯(lián)合國內(nèi)外多家優(yōu)勢單位完成的最新研究成果。該研究構(gòu)建了目前最全面的小麥群體基因組變異圖譜、表型組變異圖譜，并進(jìn)一步結(jié)合豐富的群體遺傳資源，開展了系統(tǒng)的小麥性狀和基因發(fā)掘研究，打通了小麥從基因組解碼到育種設(shè)計(jì)的全鏈條貫穿體系。
百年之間，消失的小麥基因
小麥?zhǔn)亲畲蟮娜蛐约Z食作物之一，這個發(fā)源于西亞兩河流域的作物，從1萬年前被馴化開始，就成了人類獲取能量和營養(yǎng)的重要來源，從中亞到東亞，從南美到北歐，世界40%以上的人，以小麥為主食。而在全球傳播的過程中，小麥逐漸適應(yīng)各個地方的環(huán)境，形成了豐富多樣的地方品種。
小麥?zhǔn)亲畲蟮娜蛐约Z食作物之一。圖為2024年5月，北京一處即將成熟的麥田。新京報(bào)記者 周懷宗 攝
然而，僅僅百年，眾多的地方品種就幾乎消失殆盡，中國農(nóng)科院基因組所研究員程時鋒介紹，全球小麥看似品種非常多，但現(xiàn)代育種中，其攜帶的遺傳資源，在不斷地單一化，“尤其是上世紀(jì)六七十年代開始的綠色革命中，主要集中在通過培育和推廣半矮稈稻麥品種，來提高作物適應(yīng)增加化肥施用量、減少倒伏的能力，提高收獲指數(shù)從而顯著提高產(chǎn)量。在這樣的育種中，育種家們更偏好那些控制矮稈和能顯著提高收獲產(chǎn)量的特定基因，會忽略大量的其他可能有益的遺傳變異。最終，遺傳多樣性頻譜越來越單一和狹窄。”
失去多樣性的結(jié)果，是農(nóng)作物生態(tài)更加脆弱，在面對新的全球病蟲害、極端氣候等不利因素時，缺乏有效的抵御能力。
在今天，人類對食物的需求仍在不斷增長，而全球氣候變化帶來的各種極端天氣頻發(fā)、新的病蟲害出現(xiàn)等因素，正在嚴(yán)重威脅著全球小麥的生產(chǎn)。“科學(xué)家亟須找到一條高效、精準(zhǔn)的小麥育種之路，保障糧食安全和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)。而追溯作物進(jìn)化和馴化過程中已形成的遺傳和表型多樣性，解碼和發(fā)現(xiàn)小麥優(yōu)異性狀和變異，是突破小麥育種障礙，培育新一代高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥品種的必然之路。”程時鋒說。
輾轉(zhuǎn)海外，回到故鄉(xiāng)的種子
尋回小麥消失的多樣性，可以讓小麥的遺傳資源更豐富，也讓育種家們有更多的選擇，但這并不容易。
2018至2019年期間，程時鋒和團(tuán)隊(duì)開啟了一項(xiàng)新的攻關(guān)，找到那些現(xiàn)代育種中丟失的基因。而要做到這一點(diǎn)，首先要找到那些消失的地方品種。
科研團(tuán)隊(duì)引進(jìn)的沃氏小麥及全球其他地方品種小麥，在中國種植并落地生根。中國農(nóng)科院基因組所供圖
在現(xiàn)代栽培種遍及全球的時代，地方品種越來越快地被淘汰，但并不意味著，它們?nèi)慷紡氐紫г诹耸澜缟稀Ｊ聦?shí)上，早在上世紀(jì)二三十年代，第二次世界大戰(zhàn)開始前，就有科學(xué)家著力保存那些消失的地方種，建立資源庫，如當(dāng)時知名的潘氏小麥、沃氏小麥。程時鋒介紹，潘氏小麥?zhǔn)且慌胤狡贩N的總稱，在1930年代，曾被我國的前輩科學(xué)家引入中國，但后來逐漸遺失，同時，由于世界性的戰(zhàn)爭沖突，潘氏小麥在英國也消失了，只留下一小部分失去活性的標(biāo)本。
不過，另外一批地方品種“沃氏小麥”得以保存，為此，程時鋒連續(xù)多次訪問英國，在保存沃氏小麥的科研機(jī)構(gòu)英國約翰·英納斯中心，將沃氏小麥引入中國，“當(dāng)時引進(jìn)了上千份優(yōu)異的小麥核心種質(zhì)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。”
有趣的是，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(tǒng)的地方品種，他們在海外輾轉(zhuǎn)百年后，終于又回到了故鄉(xiāng)。
隨后，程時鋒所在的基因組所，聯(lián)合英國約翰·英納斯中心等國內(nèi)外多家優(yōu)勢單位，開始了對這些珍貴資源的研究。“在生物育種、基因鑒定等領(lǐng)域，我國當(dāng)前已經(jīng)處于世界第一方陣，科研條件和水平都是比較高的，但英國當(dāng)?shù)氐臋C(jī)構(gòu)，缺乏研究和鑒定這些珍貴資源的技術(shù)能力，所以我們通過聯(lián)合攻關(guān)，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，希望能盡快解決育種難題。”程時鋒說。
重回源頭，找到丟失的財(cái)富
感謝異地的妥善保存，讓我們找回失去了的珍貴，育種也是如此。
從2019年開始，研究人員將1000多份來自全球各地的小麥資源種植在我國天南地北的科研基地上，和整齊劃一的大田不同，這些小麥各具姿態(tài)，高矮粗細(xì)各不相同。
種植在實(shí)驗(yàn)基地的沃氏小麥。中國農(nóng)科院基因組所供圖
在實(shí)驗(yàn)基地，科研人員年復(fù)一年地守在田間，鑒定每一株小麥的性狀，何時出苗，怎樣分蘗，節(jié)間距長短，穗粒數(shù)多少……
在實(shí)驗(yàn)室里，則通過現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，進(jìn)行多樣性種質(zhì)資源的遺傳和表型變異圖譜繪制工作，對引進(jìn)的小麥種質(zhì)群體基因組信息進(jìn)行解析，構(gòu)建全球小麥單倍型圖譜，深度挖掘其潛在的、未被開發(fā)的基因資源和有利變異。結(jié)合英國歷史上的表型數(shù)據(jù)集合，形成了一套史無前例的小麥表型組矩陣。
由于沃氏小麥?zhǔn)占诰G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(jià)值。通過與現(xiàn)代品種的比較，科研人員發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代小麥品種經(jīng)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。
這些優(yōu)異的資源，為何會消失在田間？程時鋒解釋，地方品種在過去被替代，主要和產(chǎn)量較低、抗倒伏性不強(qiáng)等原因有關(guān)，一旦遇到產(chǎn)量更高的現(xiàn)代小麥品種，農(nóng)民往往就會遺棄栽培了多年的當(dāng)?shù)仄贩N。
眾多地方小麥品種的遺傳庫中，保存著大量珍貴的遺傳資源，它們更適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，有的還保存著異常突出的優(yōu)勢，比如對某種疾病的高抗性。但是地方品種中的優(yōu)異變異，大多數(shù)以稀有或低頻方式分散在少數(shù)品種中，一些復(fù)雜性狀的解析，更是面臨多重技術(shù)、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)，使得現(xiàn)代育種中很少使用地方品種。
通過現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，找回這些遺傳庫中丟失的基因，只是第一步，更困難的工作還在后面。
設(shè)計(jì)育種，利用萬年的資源
小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，這是一個生物學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語，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。程時鋒介紹，普通小麥的基因組大小，大約是水稻的40倍、人類的5倍，其基因組和遺傳育種研究極其復(fù)雜，在過去一直被稱為作物界的“珠穆朗瑪峰”。
為破解小麥的遺傳密碼，研究團(tuán)隊(duì)與國際合作者一道，提出了一套小麥全基因組設(shè)計(jì)育種的策略，包括解碼、發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和最終的實(shí)現(xiàn)。
“解碼，就是全面展開多樣性種質(zhì)資源的遺傳和表型變異圖譜繪制工作，對引進(jìn)的小麥種質(zhì)群體基因組信息進(jìn)行解析，構(gòu)建全球小麥單倍型圖譜，深度挖掘其潛在的、未被開發(fā)的基因資源和有利變異。”程時鋒說，“通過現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，去鑒定那些優(yōu)異的遺傳基因，這個工作中，團(tuán)隊(duì)共鑒定出超過8000個遺傳效應(yīng)位點(diǎn)，并在這些遺傳效應(yīng)位點(diǎn)中，分析沃氏小麥所攜帶的有利變異。”
找到了遺失的基因，且鑒定出遺失基因中優(yōu)異的部分，接下來，就可以想辦法利用了，“團(tuán)隊(duì)分析了各大性狀之間的相關(guān)性，進(jìn)行了一系列研究。事實(shí)上，并不是找到優(yōu)異基因就能開展聚合育種，因?yàn)樾誀钪g存在著千絲萬縷的關(guān)系，有的優(yōu)異性狀，可能和某些性狀有負(fù)相關(guān)性，比如產(chǎn)量高，但籽粒蛋白少，再如粒重變高，粒數(shù)卻變少等。這種現(xiàn)象在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，被稱為性狀間的拮抗關(guān)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(zhǔn)打破這一關(guān)系，才能在現(xiàn)代小麥育種中真正利用和聚合那些想要利用的優(yōu)異基因。”程時鋒說。
為此，科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列相關(guān)的工具，如特定目標(biāo)性狀的遺傳位點(diǎn)定位、聚合和分子標(biāo)記輔助檢測工具等，這成了遺失優(yōu)異資源得以利用的基礎(chǔ)。程時鋒介紹，“在這些工具的幫助下，我們和英國合作者的各個團(tuán)隊(duì)一起，將發(fā)現(xiàn)的100余個高質(zhì)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(dǎo)入現(xiàn)代品種，形成了700多個單片段替換系，驗(yàn)證和利用了沃氏小麥在產(chǎn)量、抗病、營養(yǎng)等性狀上，對于現(xiàn)代小麥育種巨大的利用價(jià)值，為未來精準(zhǔn)智能育種奠定基礎(chǔ)。”
全球小麥，育種的新時代
“全球小麥可以分為7個祖先群，而現(xiàn)代小麥品種主要來源于其中兩個，這意味著，大量的特有變異，尚未被現(xiàn)代育種所利用，而發(fā)現(xiàn)和鑒定出這些特有變異基因，將極大改變現(xiàn)有品種同質(zhì)化嚴(yán)重的局面，推動小麥領(lǐng)域新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展。”中國科學(xué)院院士錢前說。
事實(shí)上，在研究中，程時鋒團(tuán)隊(duì)和合作者們，已經(jīng)發(fā)掘并驗(yàn)證了多種未被利用的優(yōu)異變異的功能和育種價(jià)值，比如挖掘到調(diào)控小麥高產(chǎn)、氮高效利用、適應(yīng)性和營養(yǎng)品質(zhì)的新基因和關(guān)鍵的有利變異位點(diǎn)等。
“沃氏小麥地方品種群體這一寶貴種質(zhì)資源的引入，將為拓寬我國小麥的遺傳基礎(chǔ)、提高我國小麥的遺傳多樣性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”中國科學(xué)院院士李家洋說。
該論文的審稿人認(rèn)為，該研究成果是全球小麥科學(xué)研究工作的一個重要里程碑，將極大地促進(jìn)小麥甚至整個作物科學(xué)領(lǐng)域的基因組設(shè)計(jì)育種的步伐。
從資源引進(jìn)來，到技術(shù)走出去，從理論到實(shí)踐相結(jié)合，國際多方合作的成果，也意味著該成果會更快應(yīng)用到全球小麥育種中，在未來，被改變的不止是中國小麥的育種進(jìn)程，更是全球小麥的現(xiàn)代育種之路。
據(jù)了解，程時鋒團(tuán)隊(duì)在此前合作的基礎(chǔ)上，正在與歐洲、美國和國際玉米小麥研究中心等開展合作、擴(kuò)大合作范圍、深化合作內(nèi)容，先后共同發(fā)起了多項(xiàng)國際合作項(xiàng)目，繼續(xù)加強(qiáng)全球小麥種質(zhì)資源的引進(jìn)和本地化，“加強(qiáng)國際合作，既是為現(xiàn)代小麥育種貢獻(xiàn)中國智慧和中國力量，也是持續(xù)為我國小麥育種產(chǎn)業(yè)注入新的血液，服務(wù)我國小麥種業(yè)發(fā)展與振興。”程時鋒說。
