科学家找回现代小麦丢失的基因

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01中国农业科学院深圳农业基因组研究所联合多家单位完成了一项关于小麦基因组的研究,揭示了全球百年小麦种质资源的多样性。

02研究发现,现代小麦品种遗传背景狭窄,67%以上的遗传多样性丢失,品种同质化严重。

03为此,研究团队开发了大数据资源和技术工具,提出了小麦全基因组设计育种的4D策略。

04沃氏小麦地方品种资源具有大量未被利用的优异等位基因,对未来的小麦遗传改良具有潜在价值。

05专家认为,引入这些优异基因将有助于拓宽我国小麦的遗传基础,提高遗传多样性,推动小麦产业持续健康发展。

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中青报·中青网见习记者 李瑞璇 记者 樊未晨
小麦是最主要的全球性粮食作物之一,是人类获取能量和营养的重要来源。普通小麦是基因组大小约为15Gb的异源六倍体,其基因组和遗传育种研究极其复杂,被誉为作物界的“珠穆朗玛峰”。面对当前全球人口不断增长、环境气候复杂多变和小麦新品种培育的遗传增益效应逐渐减缓等一系列挑战,科学家需要找到一条高效、精准的小麦育种之路,以培育高产优质的小麦新品种,保障粮食安全和发展可持续农业。
近日,国际学术期刊《自然》(Nature)刊登了中国农业科学院深圳农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)联合英国约翰·英纳斯中心等国内外多家单位完成的最新研究成果,研究团队开展了小麦群体全基因组变异图谱构建、大规模的表型鉴定、遗传作图群体构建,揭示了全球百年小麦种质资源的多样性,为小麦精准设计育种提供了重要支持。
“这一发现令人震撼。”在中国科学院院士钱前看来,如何利用这些宝贵的遗传信息和基因资源,将有力推动我国小麦基因组设计育种发展。随着研究的持续深化、成果在育种上的持续应用,将极大改变现有品种同质化严重的局面,推动小麦领域新质生产力的发展。
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部分小麦图片。中国农业科学院深圳农业基因组研究所供图
这项研究对小麦基础科研和育种应用的重要意义,要从过去一个世纪的农业绿色革命说起。始于20世纪60-70年代的农业绿色革命,主要集中在通过培育和推广半矮秆稻麦品种来提高作物适应化肥施用量的增加、减少倒伏的能力,通过提高收获指数从而显著提高产量。然而,育种过程中偏好选择那些控制矮杆和提高产量的特定基因,会忽略其他可能有益的遗传变异,导致小麦现代品种多样性的丢失,不利于应对复杂的病虫害和气候变化的影响。
沃氏小麦地方品种资源由一位英国植物学家在20世纪二三十年代通过广泛的国际贸易于全世界各地收集而来;在21世纪的过去几十年,经过多年的调查和鉴定,确定其中827份为核心种质,广泛用于研究。这827个地方品种主要来源于欧洲、亚洲和非洲的32个国家。这套材料的收集时间为绿色革命之前,这一时间点对现代小麦育种具有特别重要的意义。
中国农业科学院深圳农业基因组研究所程时锋介绍,从历史上看,养活当地人民数千年的各个地方小麦驯化品种,已经能够很好地适应当地环境,但与现代品种相比,产量相对较低,植株较高。然而,地方品种较少受到历史和地理瓶颈效应的影响,使得其往往能保有丰富的遗传多样性,但尚未在现代品种中得到充分利用。
“我们团队先后从英国约翰·英纳斯中心引进了上千份优异的小麦核心种质资源,其中包含百年前收集于欧洲、亚洲和非洲32个国家的827份地方品种。随后,综合利用基因组学、遗传学、生物信息学和分子生物学等前沿技术手段,找回了现代小麦品种丢失的遗传多样性宝库,并验证其功能和育种价值。”程时锋告诉记者。
研究发现,现代小麦品种经过长期的人工定向选择,仅来自7个祖先群中的2个,67%以上的遗传多样性丢失。这一发现表明,现代核心小麦资源遗传背景狭窄、品种单一,选育品种同质化严重。
程时锋团队的研究系统验证了大量未被利用的优异变异功能和育种价值,并挖掘到调控小麦高产、营养品质的新基因,以及关键的有利变异位点,开发了大数据资源和技术工具,并提出了小麦全基因组设计育种的4D策略——Decode解码、Discover发现、Design设计、Deliver实现,为实现小麦从基因组到育种的全链条贯通提供了系统解决方案。
“这些沃氏小麦独有的单倍型变异含有大量未被利用的优异等位基因,对未来的小麦遗传改良具有不可估量的潜在价值,可用于培育高产、优质、抗逆及适应气候变化的小麦新品种。”中国科学院院士李家洋说。他认为沃氏小麦地方品种群体这一种质资源的引入,将为拓宽我国小麦的遗传基础、提高我国小麦的遗传多样性奠定坚实的基础;未来将这些优异基因应用到小麦育种中,培育创新型小麦新品种,将推动我国小麦产业的持续健康发展。
来源:中国青年报客户端