11月28日，中國農業科學院作物科學研究所聯合國內外科研院校，在基因組水平全面展示了20世紀50年代以來中國小麥育種歷史，揭示了不同層次的結構變異對小麥適應性和育種的影響，為全球種質資源的整合和利用，未來小麥智能設計育種提供了重要基因組支撐以及新的視角和策略。相關研究成果以研究長文形式發表在《自然（Nature）》上。
據小麥基因挖掘與利用創新團隊張學勇研究員介紹，小麥是我國僅次于水稻的主糧作物。小麥是異源六倍體，含有三個功能相似、染色體間可發生互換的亞基因組（A，B，D），賦予了其基因組很好的彈性和韌性，能夠更好地耐受基因的丟失、重復、倒位、易位等結構變異沖擊。對代表性小麥品種的基因組進行分析，揭示其基因組水平的演進規律，對未來小麥育種將有一定的指導意義。
研究人員從我國近70年育成的5000多個小麥品種中篩選出有代表性的17個品種，從頭組裝它們染色體水平的高質量基因組，并對精準鑒定出的近25萬個結構變異分析，發現跨著絲粒區域是小麥品種分化的核心區域。進一步分析發現，這17個中國小麥品種展現出的遺傳多樣性遠高于全球其它國家近30年育成品種。研究推斷，這是由于我國小麥商業化育種發展相對較慢，一定程度保留了其品種的遺傳多樣性、維持小麥品種較高的韌性。這為未來作物育種體制的調整提供了參考。
為進一步探索小麥品種對環境變化的高度適應性及遺傳基礎，解析小麥“春性”與“冬性”的轉變和演化。研究人員通過分析春化基因VRN-A1拷貝數變異情況，發現小麥的祖先種如野生四倍體、栽培四倍體完全是“春性”類型，而普通小麥中出現“冬性”突變和VRN-A1基因的拷貝數變異，繼而呈現“冬性”——即抗寒性強弱的變化。研究還發現，基因變異后拷貝數越高，品種抗凍害能力越強。但是與地方品種相比，現代品種中該基因拷貝數降低，推測這可能與最近100年氣候變暖密切相關。這一發現揭示了小麥品種適應性的遺傳基礎，為未來小麥廣適性育種提供理論指導。
研究人員同時發現了不同地區小麥品種籽粒硬度變化的演進規律。研究表明，小麥籽粒硬度受Ha基因控制，而該基因突變或丟失，品種籽粒就會變硬。在我國近70年人工選擇和自然選擇雙重作用下，西北、華北小麥品種含Ha基因突變的頻率顯著高于東南、西南地區小麥品種，這與我國居民“北硬”“南軟”的飲食習慣密切相關，這一發現說明小麥品種既是生產要素、也是飲食文化的重要載體。
中國工程院院士劉旭認為，中國小麥種質資源和重大品種形成和演變規律的研究，前后經過了三個大的階段，第一個階段是重要基因的等位變異分析，第二階段是單倍型和單倍型區段的研究，第三個階段是大的基因組結構變異對重要性狀形成的影響，也是該研究的主要內容。標志著我國小麥的基礎研究逐步邁入世界領先水平。此項工作必將推動我國作物種質資源的研究正式進入大數據時代，加速重要基因的挖掘與利用研究。
中國工程院院士孫其信認為，該研究構建了迄今為止規模最大、質量最高的小麥泛基因組，是一項里程碑式的進展。這一工作成功解讀了小麥廣泛環境適應性和品質形成背后的“基因密碼”，所揭示的豐富結構變異反映了小麥基因組高度的可塑性。該研究是近年來作物學研究與大數據交叉融合攻關的范例，研究成果也將為智能設計育種提供重要基因組支撐和理論指導。
該研究得到國家重點研發計劃、中國農業科學院科技創新工程、國家自然科學基金等項目的支持。（通訊員 田浩園）
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08277-0
