• 人類首獲小麥基因研究“密碼本”

    2018-08-27 16:04:56來源: 中國青年報

       看似普通的小麥,這次卻搞出了大動靜,登上全球科學界的關注榜。

      20余個國家、70多家機構,200多位科學家,在國際小麥基因組測序聯盟(IWGSC)的牽頭下,花費13年時間,才終于完成了這部令人驚嘆的“密典”——這就是世界上首個完整版六倍體小麥“中國春”的基因組圖譜。

      這項被澳大利亞墨爾本大學小麥育種專家魯迪·埃培爾斯評價為“征服了遺傳學‘珠穆朗瑪峰’”的研究成果,8月17日被全世界最權威的學術期刊之一《科學》在線發布。

      一部小麥基因的“密碼本”,究竟有些什么內容?為何能引發如此關注?它又能用來做些什么?西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室的宋衛寧教授團隊,是參與這一基因組圖譜破譯工作的唯一中國團隊。

      “這一研究的意義,類似對人類基因密碼的破解:有了小麥的基因組圖譜,小麥的育種、遺傳研究,就可以向前推進一大步。”宋衛寧告訴中國青年報·中青在線記者:小麥倒不倒伏、耐不耐旱、種子是大還是小、營養價值高不高,“都和它有關”。

      小麥是世界上種植最廣泛的谷物之一。人們用它來加工面包、饅頭、面條、啤酒等,養活了世界上40%的人口。尤其是在中國,這個世界最大的小麥生產與消費國,年種植小麥面積有2400萬公頃左右、產量近1.3億噸。

      然而很多人并不知道,與人類關系如此密不可分的小麥卻有著極其特殊的身份:它是唯一一個尚未完成全基因組測序的物種。

      究其原因,有些意外:看似普通的小麥,其基因組的體量卻非常龐大——是人類基因組的5倍、水稻基因組的40倍。同時,作為典型的異源多倍體,小麥基因組內的重復序列極高——包含3套非常相似的染色體,“破譯難度非常之巨大”。

      正因如此,“小麥基因組測序”曾被媒體戲稱為“噩夢般的挑戰”。就連IWGSC執行主任凱利·埃弗索爾也在一份公開聲明中表示:繪制小麥基因組圖譜,曾被視為“不可能完成的任務”。

      對于研究者來說,基因組圖譜的缺乏就像橫亙在兩座山峰間的“天塹”,使得小麥育種者很難跟蹤小麥基因的“代序傳遞”。而對試圖改變其特定DNA序列的基因工程師,更是“老虎吃天,無處下爪”。

      2005年,IWGSC向這一難關發起挑戰。2006年,宋衛寧教授加入攻關“艦隊”。

      這樣的國際性研究,為何選定“中國春”品種?宋衛寧介紹,“中國春”是種植在四川省成都平原的一個地方品種。早在20世紀初,通過傳教士傳入西方。上世紀四五十年代,美國著名學者西爾斯通過研究,從“中國春”衍生出一系列小麥染色體材料。

      “這使得‘中國春’成為小麥遺傳學最重要的遺傳材料和工具,促進了小麥細胞遺傳學的大發展。”也正因此,小麥成為那個年代的模式作物,同時也直接推動了黑麥、大麥、燕麥等其他物種的遺傳研究。

      在各國科學家努力下,一項又一項令人振奮的成果先后面世。事實一次次證明:“珠峰”也并非高不可攀。

      事實上,在小麥測序研究領域科學家們的不斷努力下,令人振奮的成果也一項項先后問世:2008年,法國農科院研究團隊發布了小麥染色體中最大的一條——3B染色體的物理圖譜;2013年,中科院遺傳發育所和中國農科院作物所分別完成小麥祖先A和D基因組草圖;2017年,IWGSC宣布:小麥品系“中國春”染色體物理圖譜構建完成;同年,美國加州大學戴維斯分校研究團隊獲得小麥祖先D基因參考序列……

      對于世界首個六倍體小麥基因組圖譜來說,由于基因組體量大、重復序列含量高,“不得不采取‘分而治之’的策略。”宋衛寧表示,“研究所采取的技術路線,是‘分離染色體—建立BAC(細菌人工染色體)文庫—構建物理圖譜—測序’。”

      首先,依照大小、長短,將所有染色體統一進行分離。“中國春”的21條染色體,共分為3組,名為A組、B組和D組。每組內,含有7條染色體,依照數字編碼為1A、2A、3A等。每條染色體,還可拆分為長臂和短臂。

      染色體的最初分離,與細菌人工染色體文庫的構建,由捷克的研究團隊負責。之后,由IWGSC協調委員會牽頭,各國成員依照自身條件“一段段認領”,再分頭完成后續的物理圖譜構建和細菌人工染色體測序(BAC測序)。

      最終,20多個國家的科研人員,分頭完成了物理圖譜的構建。在這一浩大工程中,研究人員整合了21條小麥染色體的參考序列,獲得10.7萬個基因,超過400萬個分子標記,以及影響基因表達的序列信息。

      宋衛寧團隊負責的,是對小麥染色體“7D中長臂”的破譯。目前,能夠確定“這條染色體的許多區間,與小麥產量、種子大小、能否抵抗銹病等性狀有著密切關聯”。

      “小麥‘7D中長臂’的破譯,是一個全新探索,沒有經驗可循。”宋衛寧說,僅“7D中長臂”染色體的大小,就已相等于整個水稻的基因組大小。不僅如此,其物理圖譜構建及序列組裝、分析和破譯的工作量,也遠遠超過了相應的水稻基因組。

      “參與此次研究的師生數量,可以坐滿整整一節車廂。”宋衛寧打了個形象的比方。在西北農林科技大學為團隊提供的科研支持下,團隊成員基本沒有節假日、寒暑假的概念,全力投入海量數據的測序和破譯工作。

      “中國春”基因組圖譜的繪制完成,“可以說獲得了研究小麥的一個‘密碼本’。”宋衛寧表示,它使科學家對小麥生長發育規律的了解發生了質的飛躍,也為未來人類更好地利用小麥做了重要鋪墊。

      “有了這本‘參考書’,從前做不出來的實驗,現在就有可能做出來了。之前研究過的,還可以繼續做得更通透。”迄今為止,針對這一基因組,聯盟成員和其他研究人員已發表論文100多篇。

      與此同時,新的發現也已開始起作用。例如,比利時植物遺傳學家安杰·羅德報告稱,其研究小組確定了導致小麥發芽延遲的關鍵基因,他們希望使用技術令該基因失效,從而縮短育種周期;美國加州大學戴維斯分校的喬治·杜布佐夫斯基教授,則在最近發現了一種新的小麥高度基因……

      “未來,我們還將繼續開展序列分析工作,將小麥基因組的進化、序列與分子育種、遺傳育種結合起來,培育高產、抗旱、抗鹽、抗病蟲的小麥新品種,以更好應對全球氣候變化及人口增加帶來的食品短缺挑戰,為小麥基因組改良工作奠定基礎。”宋衛寧表示。

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