小麥泛基因組研究揭示我國重大品種演替規律

中國農業科學院作物科學研究所小麥基因挖掘與利用創新團隊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的形式在線發表于《自然（Nature）》。

據張學勇研究員介紹，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。

劉旭院士認為，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。

孫其信院士認為，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。

該研究由作科所聯合中國農業大學、澳大利亞莫道克大學等單位共同完成。作科所博士研究生焦成智、中國農業大學博士生謝小明、作科所郝晨陽研究員和天津極智生物科技有限公司陳力揚為論文共同第一作者，作科所張學勇研究員、中國農大郭偉龍教授和澳大利亞莫道克大學Rajeev K. Varshney教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國家重點研發計劃、中國農科院創新工程、國家自然科學基金等項目資助。