■本报记者 丁佳
作为世界三大粮食作物之一，小麦养活了全球40%的人口，提供人类营养所需的20%的热能和蛋白质。
随着基因组学的发展，水稻和玉米的基因组相继被破译，但关于小麦基因组的测序研究依然困难重重、进展缓慢，小麦基因组成了横在科学家面前的一座大山。
中科院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室小麦研究团队发起并领衔，与深圳华大基因研究院等合作，完成了小麦A基因组草图的绘制，从而开启了全面破译小麦基因组的序幕。3月24日，英国《自然》杂志在线发表了该项研究成果。
基因组庞大而复杂
“生产上广泛种植的普通小麦是一种异源六倍体，含有A、B和D三个基因组。”中科院遗传发育所研究员、植物细胞与染色体工程国家重点实验室主任凌宏清告诉记者，“虽然同为粮食作物，但普通小麦的基因组大而复杂，是水稻基因组的40倍、人类基因组的5.5倍。”
追本溯源，普通小麦的形成涉及三个原始祖先物种和两次天然杂交。乌拉尔图小麦是三个原始祖先之一，是数个多倍体小麦（包括普通小麦）含有的A基因组的供体。可以说，A基因组是小麦进化的基础性基因组，在多倍体小麦进化过程中起着核心作用。
因此，科研人员选择了乌拉尔图小麦，对小麦A基因组序列图谱的破译展开研究，为未来更加全面地解析和改良六倍体小麦的基因组结构与功能打下基础。但是，即便是二倍体的乌拉尔图小麦，其基因组也是水稻的12倍和人类基因组的1.6倍之巨。没有技术的创新，这几乎是一项不可能完成的任务。
计算机系统两次爆机
第二代测序技术的兴起和发展，为深入探究小麦基因组奥秘提供了难得的机遇。
中科院遗传发育所植物细胞与染色体工程国家重点实验室小麦基因组研究团队联合深圳华大基因研究院，开展了小麦基因组测序研究。但随着实验的进行，新的难题又浮出了水面。
虽然第二代测序技术的测序能力大大提高，但以前测的都是基因组较小的物种。能否顺利完成像小麦A基因组这么大的测序任务，研究人员心里是打鼓的。事实上，就连以基因组测序见长的华大基因研究院，也从未做过如此复杂基因组的测序工作。
同时，小麦基因组的一个特点是含有大量的重复序列，这些序列高度相似，但又不完全相同，因此找到它们的位置并准确组装起来，是一个巨大的挑战。
为了精益求精，研究人员通过构建具有插入不同DNA片段大小的测序文库，测得的核苷酸序列可覆盖乌拉尔图小麦基因组90多遍。其间产生的海量数据，曾让华大强劲的计算机系统在序列组装和分析中爆机两次。科研人员边实验边对计算机硬件和软件进行升级，最终啃下了这块硬骨头。
经此一役后，中国的基因组测序和分析技术也有了长足的进步。
助推小麦遗传育种研究
此次研究中，科学家共鉴定出34879个编码蛋白基因，发现了3425个小麦A基因组特异基因和24个新的小分子RNA，鉴定出一批控制重要农艺性状的基因，并发现小麦A基因组中的抗病基因明显多于水稻、玉米和高粱。
“小麦起源于西亚、中东，那里冬季寒冷、干燥，但小麦能很好地生存。”中科院遗传发育所研究员张爱民说，“另外，小麦也是广适性最好的粮食作物之一，在地球上全年都能找到正在收割小麦的地方。”
科研人员认为，该研究中发现的基因和小分子RNA的扩张可能是小麦抵御恶劣生存环境和具备广适性的原因之一。因此，这一重要的原始性创新成果将带来多种应用价值。
“我们开展这项研究，主要是想为促进小麦遗传育种和保障国家粮食安全做一些有益的工作。”中科院遗传发育所研究员王道文表示，多年来，中国的小麦常规育种取得了长足的进展，育成了大批新品种，但要再往前推进就很难，一个主要原因是对小麦的基因组成了解不足。
的确如此。在三大粮食作物中，人类食用小麦的数量最多，但小麦的产量是最低的，而按照测算，小麦的理论产量应跟水稻差不多。现在，很多重要的基因都在水稻上克隆出来，并用于水稻的分子设计育种，但类似研究在小麦中还困难重重。
而此次科学家描绘的小麦A基因组图谱，将有力地促进小麦基因组学研究和小麦分子设计育种的开展。
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小麦D基因组
草图同步绘就
本报北京3月24日讯（记者黄明明）在小麦A基因组研究成果发表的同一天，由中国农科院和华大基因研究院等合作完成的小麦D基因组草图，也在《自然》杂志上在线刊出。
研究人员在国际上率先完成了小麦D基因组供体种——粗山羊草基因组草图的绘制，从而结束了小麦没有组装基因组序列的历史，对小麦育种、小麦种质资源、小麦功能基因组、小麦进化及比较基因组等研究将产生巨大的推动作用。
项目牵头人、中国农科院研究员贾继增介绍说，小麦D基因组共有7条染色体，约44亿个碱基对，约为水稻基因组的10倍。通过粗山羊草全基因组分析发现，其抗病相关基因、抗非生物应激反应的基因数量都发生显著扩张，因而大大增强了其抗病性、抗逆性与适应性。研究还发现，D基因组中小麦特有的品质相关基因，很多也发生了显著扩增，从而使小麦的品质性状得到大大改良。
普通小麦D基因组多样性的贫乏，已成为制约小麦品种改良的瓶颈。小麦D基因组的供体种——粗山羊草的遗传多样性非常丰富，其中蕴涵着许多优良基因。D基因组草图的绘制，为粗山羊草的开发利用及进一步的品种改良奠定了基础，并有望使小麦常规育种与杂交小麦取得突破性进展。
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《中国科学报》 (2013-03-25 第1版 要闻)
