丰硕的科学成果:小麦基因组终于被破解了

2018年8月17日——国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)在国际期刊上发表了一份关于面包小麦基因组的详细描述，面包小麦是世界上种植最广泛的作物科学。这项工作将为生产更好地适应气候挑战的小麦品种、提高产量、提高营养质量和提高可持续性铺平道路。

这篇研究论文由来自20个国家73个研究机构的200多名科学家撰写，展示了面包小麦品种“中国春天”的参考基因组。沿着21个小麦染色体排列的DNA序列是迄今为止生产的小麦最高质量的基因组序列。它是13年国际合作研究的成果。

小麦是粮食安全的关键作物，是全球三分之一以上人口的主食，占全球人类消耗的总热量和蛋白质的近20%，比任何其他单一食物来源都多。它也是维生素和矿物质的重要来源。

据联合国粮农组织称，为了满足2050年预计将达到96亿的世界人口的未来需求，小麦产量必须每年增长1.6%。为了保护生物多样性、水和营养资源，增加的大部分必须通过现有耕地的作物和性状改良来实现。

随着参考基因组序列的完成，育种家有了新的工具来应对这些挑战。他们将能够更快地识别出复杂农艺性状(如产量、籽粒品质、抗真菌疾病和对非生物胁迫的耐受性)背后的基因和调控元素，并生产出更耐寒的小麦品种。

“小麦基因组序列让我们看到小麦引擎的内部，”墨尔本大学和默多克大学教授、AgriBio研究员鲁迪·阿佩尔斯说。“我们看到的是完美的组合，通过选择，允许对不同环境的变化和适应，以及足够的稳定性，以保持在各种气候条件下生存的基本结构。”

预计高质量参考基因组序列的获得将推动未来几十年小麦的改良，其益处类似于在玉米和水稻的参考序列产生后观察到的益处。

“你该如何感谢一组科学家，他们坚持不懈并成功地完成了小麦基因组测序，永远改变了小麦育种?”内布拉斯加州大学林肯分校教授、内布拉斯加州小麦种植者协会主席Stephen Baenziger说。“也许这不是通过科学家的话，而是通过营养良好的儿童和他们的家庭的微笑，他们的生活已经变得更好。”

长期以来，面包小麦的基因组测序一直被认为是一项不可能完成的任务，因为它的巨大体积——比人类基因组大5倍——和复杂性——面包小麦有三个子基因组，超过85%的基因组是由重复元素组成的。

IWGSC的执行主任Kellye Eversole解释说:“小麦参考基因组的发布是许多人在IWGSC的旗帜下共同完成被认为不可能完成的工作的顶峰。”“产生参考序列的方法以及该联盟的原则和政策为测序大型、复杂的植物基因组提供了一个模型，并重申了国际合作在促进粮食安全方面的重要性。”

小麦参考序列的影响已经在科学界重大,作为以六个额外的出版物的出版在同一日期描述和使用参考序列的资源,一个科学中出现同样的问题,一个在科学进步和四个基因组生物学。此外，自2017年1月该资源向科学界提供以来，已有100多篇文献引用了该参考序列。

除了21条染色体的序列外科学本文还提供了107,891个基因和400多万个分子标记的精确定位，以及这些基因与含有影响基因表达调控元件的标记之间的序列信息。

IWGSC取得这一成果是通过结合过去13年里使用经典的物理测绘方法和最新的DNA测序技术所产生的资源;序列数据通过高效的算法沿着21条染色体进行组装和排序，并用专门的软件程序对基因进行识别。

堪萨斯州的农民平均每年种植3.4亿蒲式耳的小麦，但是种植小麦的面积在过去的十年里急剧下降，从1000万英亩下降到不到800万英亩。到2050年，预计世界人口将达到96亿，为了满足未来的需求，小麦产量需要每年增长1.6%。为了保护生物多样性、水和营养资源，增加的大部分必须通过对现有耕地进行作物和性状改良来实现，而不是开垦新的耕地。为了让农民把这些宝贵的资源用于小麦生产，而不是生产其他作物，小麦种植必须盈利。

Bikram Gill说:“堪萨斯州的小麦农民梦想成真了，他们是第一个投资小麦基因组测序项目的人，在争取美国小麦农民支持小麦基因组测序项目方面起了关键作用。”他于2003年在华盛顿特区组织了第一届国家科学基金会和美国农业部资助的小麦基因组测序研讨会规划会议。

John Innes中心的作物遗传学项目负责人Cristobal Uauy也参与了这个大型项目。他说:“对其他作物的基因组知识推动了重要性状选择和育种的进展。处理庞大的小麦基因组一直是一个巨大的挑战，但完成这项工作意味着我们可以更快地识别控制感兴趣性状的基因。这将促进并更有效地培育抗旱或抗病等性状。以前我们视野开阔，可以发现感兴趣的区域，现在我们可以在地图上放大细节。”

他补充说:“预计到2050年，世界对小麦的需求将增加60%，以满足全球需求。多亏了我们和国际社会发表的研究，我们比以往任何时候都更有优势来增加产量，培育具有更高营养质量的植物，并创造适应气候变化的品种。”

约翰英纳斯中心的研究员菲利帕·博里尔说:“解码小麦基因组的多年工作仅仅是个开始。这些结果促进了科学家、育种家和农民之间的进一步合作，以可持续和负责任的方式定位和识别提高小麦产量的基因，以满足不断增长的人口的需求。”

John Innes中心的科学程序员Ricardo Ramirez-Gonzalez补充说:“基因组实际上是一种工具，使我们能够应对围绕粮食安全和环境变化的挑战。我们相信，在未来几年内，我们可以推动小麦的改良，就像水稻和玉米在序列完成后进行精炼一样。”

参考:“利用完全注释的参考基因组改变小麦研究和育种的限制。”
国际小麦基因组测序联盟，《科学》，2018年8月17日，DOI: 10.1126/ Science .aar7191

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