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河南农大为小麦“堂兄弟”绘制基因“导航图”,除了培育更优秀的小麦还有这些大用处

河南日报客户端 2021-04-07 18:14 点击:

       河南日报客户端记者 尹江勇 刘晓波

  近日,一条消息火爆了国内外农业科研学术圈:河南农业大学科研团队牵头绘制出了目前世界上二倍体粮食作物中最复杂的黑麦基因组的高质量精细物理图谱。

  这项成果有多前沿?它刚刚在最新一期的国际著名学术期刊《自然•遗传学》(Nature Genetics)上发麦了研究长文。要知道这权威期刊,只有全世界最顶尖的成果才能挤进去!

  这项成果有多受关注?发布后仅仅两周时间,文章的浏览量和在线下载就高达6000多次,这可是一般同类论文全年浏览量的二、三十倍。

  “这项基础研究成果解决了国际小麦研究领域长期悬而未决的一项难题,是我国为世界农作物研究作出的新贡献。”4月6日,中国工程院院士、河南农业大学校长张改平对此评价。

  他还表示,这是国际作物科学界首次完成对黑麦基因组精细物理图谱的构建,对麦类等作物遗传改良具有重要的指导作用。

  这就意味着,有了这份图谱,未来科学家们有望更加高效地培育出拥有高产、抗病、抗寒等优秀性状的小麦新品种。

  为什么要绘制黑麦基因图谱?

  黑麦是什么?通俗地讲,它是小麦的“堂兄弟”。

  “从血缘上讲,黑麦与小麦的关系,比大麦与小麦的关系还近,目前中国大约50%的小麦品种中,都携带有黑麦的染色体片段和基因。”论文共同通讯作者、河南农业大学农学院院长王道文研究员介绍说。

  把黑麦和小麦放在一起,光看外表“肤色”,就像是非洲兄弟遇上了亚洲兄弟,但在当今世界上,黑麦主要“定居”在欧洲的一些国家和地区。像著名的俄罗斯大列巴面包和格瓦斯饮料,就是以黑麦为主要原料制作的。

  全球黑麦产量分布图

  在“麦子家族”中,黑麦虽然不像小麦这位“高富帅”那样风光无限,但这位“寒门子弟”却凭着自己极好的抗寒、抗病、耐旱等多种独特抗逆能力,在自然条件恶劣的地区显示出强大的生存能力,在家族中拥有了自己的一席之地。

  图为在西藏海拔3900米重度退化草地种植的黑麦作物。 武俊喜摄

  “在海拔3000米以上高寒地区,小麦基本无法收获,但黑麦仍然能达到200斤以上的亩产量,它还可以作为牧草,给土壤贫瘠地区带来可观的生态和经济效益。”王道文说,这些“优秀品质”让黑麦备受农学家的青睐。

  从上世纪50年代起,我国科学家开始对黑麦进行研究:鲍文奎院士于70年代育成了由小麦和黑麦杂交产生的八倍体小黑麦,在西南、西北高寒瘠薄山区得到推广,这个小麦家族新成员也是营养丰富的饲草作物,每年国内种植面积多达450多万亩。

  被誉为“黄淮第一麦”的矮抗58,因抗逆性极为突出而倍受农民喜爱,它的体内也有2000多个基因来自黑麦。

  然而,迄今为止,黑麦遗传资源优势尚未得到最大限度的发挥,其中一个原因,就是黑麦基因组精细图谱的组装未完成,育种家往往“知其然而不知其所以然”。只有从基因组层面对黑麦进行解析才能探索出黑麦更多的基因密码,应用到育种工作中,以此培育出更优秀的麦类作物新品种。

  “成功构建黑麦基因组高质量精细基因组物理图谱,如同为粮食作物抗逆改良研究提供了一张‘导航图’。”王道文比喻,“从此,遮挡在科研人员面前的迷雾消散了,我们可以根据待培育品种的性状与功能需求,直接找到相应的黑麦基因而加以转移和利用。”

  图谱将为小麦研究带来什么?

  这张黑麦基因组高质量精细物理图谱,最显著的特点是“高质量”和“精细”。

  “相对于其他二倍体麦类,黑麦基因组更加复杂,其大小是玉米的4倍、水稻的25倍。将其完整解析后,科学家们可以迅速在80亿个碱基中找到所需要的特定结点。”论文共同通讯作者、河南农业大学农学院特聘教授杨建平博士形容说,这就如同“在南美热带雨林中迅速定位到一片叶子”。

  利用这种解析能力,专家们可以像查“家谱”一样全面了解黑麦漫长的演化历史。

  例如,通过与小麦、大麦的对比分析后发现,黑麦进化史中发生过两次较为明显的转座子(TE)影响基因组扩张事件,一次大约发生在170万年前,与大麦基因组的扩张时间相近;更近的一次大约发生在50万年前,与四倍体小麦基因组的扩张时间近似。

  “通过对黑麦基因图谱的分析,使我们得以首次系统地阐述了TE不同家族扩张与黑麦基因组增大演化历史的关系。”杨建平兴奋地将这一发现过程形容为,“过去我们一直仰望珠穆朗玛峰,这一次我们终于攀上峰顶,无限风光尽在眼前。”

  黑麦转座子分析

  伴随这项基础研究领域的突破,科学家团队对黑麦的认知得到了空前提升:

  从黑麦中一共鉴定到2,517个单拷贝基因,重新构建了禾本科系统演化史;

  鉴定到了黑麦基因组中各种基因复制现象,在一定程度上揭示了黑麦突出抗逆性与独特环境适应能力的遗传基础;

  成功解析了黑麦高度复杂的种子储存蛋白位点基因组成,为黑麦、小麦和小黑麦的品质改良与产量提高打下坚实的基础……

  在这份“导航图”的指引下,通向黑麦基因“宝库”的路径清晰呈现,可以和许多育种家正在进行的工作实现“无缝连接”。

  “这份基因图谱将极大提升小麦育种工作的精确度和效率。”杨建平告诉记者,“比如说,我们可以对矮抗58体内来自黑麦的2000多个基因进行精准优化,删除掉对品质不利的基因片段,让‘黄淮第一麦’的整体表现更上一层楼。”

  借助这张“导航图”,在促进黑麦、小麦等相关麦类作物的遗传育种改良方面,也为科学家们打开了更加广阔的想象空间。

  “目前小麦的种植范围,还受到诸多地域环境条件的限制,在基因导航的支持下,育种专家可以更好地将黑麦抗高寒、耐瘠薄等特性‘转移’给小麦。”杨建平说。

  就像袁隆平院士培育出“海水稻”一样,不久的未来,育种家们也有望培育出性能优异的“高原小麦”“戈壁小麦”,想想是不是很激动?

  这次协同创新有哪些示范意义?

  “这份基因图谱的成功绘制,既是河南农业科研在基础研究领域的一次集中实力展现,也是国内外科研单位协同创新的一次典范合作。”河南农业大学农学院党委书记郭战伟的话语中充满了自豪。

  一直以来,河南农业大学将补齐我省基础科研“短板”视为重要目标,把目光瞄准这一国际作物基因组学和小麦研究领域的重大难题,开启科研协同创新攻关。

  图为王道文(左)、李广伟(中)和杨建平在观察“威宁黑麦”的抽穗特性。郑楠楠摄

  在国家“十三五”重点研发项目、国家基金委重大项目以及河南农业大学优秀人才团队引进基金的支持下,河南农业大学联合北京大学、四川农业大学、百迈客生物科技公司、中国科学院遗传与发育生物学研究所等多家单位开展协同创新研究,2016年启动项目,2017年研究工作全面铺开,历时4年,终成正果。

  完成项目的整个过程,就像建一幢摩天大楼:河南农大作为项目牵头方,担任了“工程组织者”“设计师”和“主体施工者”的角色,组织国内多家高校、科研院所和企业,集合35位业内顶级科研人员,凝智聚力,为这项工作“架梁”“立柱”“添砖”“加瓦”:

  由四川农业大学提供的中国云贵高原栽培品种“威宁黑麦”,为项目提供了最可靠的研究材料;

  北京大学现代农业研究院的课题组,为黑麦基因组进行了精准的转录组和基因表达分析;

  百迈客生物科技公司的高通量测序能力和计算机集群,为项目产生的庞大基础序列信息和强大的大数据分析提供了运算支撑……

  图为研究团队成员在做相关研究。杨建平 摄

  “黑麦的基因组复杂程度远高于其他二倍体麦类,所以整个基因组测序和组装都异常艰难。”论文共同第一作者李广伟博士介绍。这位年轻的博士是一位“80后”,却是冲在项目一线负责重点攻关任务的一员“主将”。

  4年多时间内,基本没有假期,他和协同创新研究团队的同事们连续奋战,运用了高通量三代单分子测序、染色质三维构象捕获以及光学图谱和高密度遗传图谱构建等先进技术,优化了多种组装策略,甚至还自主开发了多种运算程序,最终完成了这张复杂图谱上的最后一块拼图。

  “黑麦基因组精细图谱绘制的背后,是我省乃至全国农业领域科研创新人才团队、平台装备和技术水平实力快速增长的体现。”郭战伟表示,这是一次从0到1的突破。

  至此,河南不仅是国内小麦种植大省、小麦育种强省,也在小麦基础研究领域攀升到了国际一流水平。

  更重要的是,我省高校探索前沿基础性研究的能力得到了检验,一支年轻有活力的创新团队走向了成熟,有了组织协调国内行业多领域创新人才、资源共同“搞大项目”“破大难题”的信心。

  图为研究团队所在的河南农业大学龙子湖校区第一实验楼。杨建平摄

  采访结束后,记者走在农大校园内,处处繁花似锦,一派春意盎然,学子们年轻的面上,洋溢着无尽的青春和希望。

  未来,还会有哪些重大科研突破的喜讯从这里发布?

  真的很让人期待啊!

  相关链接:

  科普一下,黑麦是个什么麦

  河南日报客户端记者 尹江勇 刘晓波

  知识点一:黑麦是啥?

  学术上讲,它是“禾本科小麦族黑麦属的二倍体植物,是小麦、大麦和燕麦等其他麦类作物的近缘物种”;通俗地说,它是第三大麦类作物,是小麦、大麦的“堂兄弟”。北欧是黑麦的主产区,在我国的北方山区或高寒干旱地区,也能见到黑麦的踪迹。

  知识点二:黑麦好吃吗?营养丰富吗?

  在欧洲,黑麦是不少传统美食的原料,黑麦谷粒可酿造威士忌、啤酒和伏特加,用黑麦粉制作的德国祼麦粗面包十分有名,在俄罗斯,著名的黑麦食品包括了含酒精饮料格瓦斯和大列巴面包。

  黑麦虽然不在著名的“黑五类”食品之列,但它仍然属于黑色食品,也具有很高的营养价值,黑麦籽粒中的蛋白质、微量元素和可溶性纤维含量都很高,是有待全面开发的食品。

  知识点二:黑麦这么好,能吃上咱河南种的黑麦吗?

  这个还真有点困难。倒不是说河南种不了黑麦,而是河南的种植环境太好了,广阔的中部大平原自古以来就是上佳的农作物产地,种植冬小麦亩产最高可达1700多斤,收益远远高于种黑麦。所以,科学家青睐黑麦,更多是想让小麦好好学习黑麦“吃苦耐劳”的优点,能走得更远,去环境更艰苦的地方“建功立业”。

  上世纪70年代,我国科学家为普通小麦和黑麦“牵红线”,成功培育出了“混血儿”小黑麦,无论籽粒产量还是秸秆生物量均远远大于黑麦,因此,小黑麦取代了黑麦被广泛种植。目前在我国西南、西北高寒瘠薄山区,每年小黑麦种植面积多达450多万亩。另外,据河南农大的专家介绍,在濮阳中原油田废弃的盐碱化地块,正在进行黑麦的抗盐性对比试验。

  其实我们生活中已离不开黑麦,育种家们成功运用黑麦对小麦进行了改造升级,不断培育出更加抗病高产的小麦品种。目前河南主栽小麦品种中绝大部分都携带有黑麦基因,可以说我们每吃50个馒头,就相当于已经吃下了1个黑麦馒头。

 

浏览: 责编:刘翀 编审:史帅 终审:汪中东