小麥基因組研究現(xiàn)狀與展望

傅向東 劉 倩 李振聲 張愛(ài)民 凌宏清 童依平 劉志勇

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 北京 100101

作為世界總產(chǎn)量排名第二的糧食作物，小麥在世界各地被廣泛種植，養(yǎng)活了全球近 40% 的人口。預(yù)計(jì)到 2050 年世界人口將增長(zhǎng)至 96 億，為了滿足這一未來(lái)需求，小麥生產(chǎn)力需要每年增加 1.6%，這必須通過(guò)對(duì)作物及其性狀的改良來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于普通小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，基因組龐大且復(fù)雜（是水稻基因組的 40 倍、人類(lèi)基因組的 5.5 倍），其功能基因組學(xué)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于水稻和玉米，復(fù)雜的遺傳背景一直以來(lái)也是制約重要農(nóng)藝性狀的基因克隆和分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)發(fā)展的瓶頸。2005 年，美、法等國(guó)科學(xué)家發(fā)起并成立了國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟（International Wheat Genome Sequencing Consortium，IWGSC），組織全世界 20 多個(gè)小麥主要生產(chǎn)國(guó)的科學(xué)家協(xié)作開(kāi)展小麥基因組測(cè)序。

我國(guó)作為世界最大的小麥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，小麥生產(chǎn)對(duì)保障國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義，因此小麥的增產(chǎn)和品質(zhì)改良變得尤為重要。然而，產(chǎn)量和品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀都是受多基因和環(huán)境互作影響的復(fù)雜數(shù)量性狀，單純依靠現(xiàn)有常規(guī)育種技術(shù)已經(jīng)難以滿足我國(guó)糧食安全和人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要。因此，加快對(duì)小麥基因組和分子遺傳育種的研究勢(shì)在必行。

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A類(lèi)）“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“分子設(shè)計(jì)育種先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)”），提出并建立了從“分子模塊”到“品種設(shè)計(jì)”的現(xiàn)代生物技術(shù)育種創(chuàng)新體系，從而快速實(shí)現(xiàn)全基因組水平多模塊優(yōu)化組裝并培育新一代超級(jí)品種[1]，同時(shí)也對(duì)我國(guó)小麥遺傳學(xué)研究和分子改良育種提供了新的發(fā)展契機(jī)。文章將對(duì)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施期內(nèi)小麥相關(guān)研究成果和未來(lái)研究方向的展望進(jìn)行梳理。

1 小麥基因組研究取得重大突破

普通小麥?zhǔn)且粋€(gè) AABBDD 的異源六倍體，其形成涉及 3 個(gè)原始祖先物種和 2 次天然雜交。大概 50 萬(wàn)年前，祖先種烏拉爾圖小麥（Triticum urartu）和近緣種山羊草雜交加倍后形成異源四倍體 AABB。大概 8 000—10 000 年前，這個(gè)異源四倍體又與野生粗山羊草雜交加倍后才產(chǎn)生了 AABBDD 的異源六倍體，這導(dǎo)致普通小麥的基因組龐大而復(fù)雜。由于水稻和玉米相對(duì)簡(jiǎn)單的基因組較早被破譯，已經(jīng)使得二者的分子設(shè)計(jì)育種理論和技術(shù)日趨完善。鑒于此，高質(zhì)量小麥參考基因組序列圖譜是小麥分子設(shè)計(jì)育種研究取得突破性成果的關(guān)鍵。

我國(guó)在麥類(lèi)作物基因組研究方面作出了很多突出貢獻(xiàn)，包括 AA 基因組和 DD 基因組的精細(xì)圖譜繪制，以及參與了“中國(guó)春”AABBDD 六倍體小麥精細(xì)圖譜的部分繪制工作。其中，A 基因組是小麥進(jìn)化的基礎(chǔ)性基因組，在多倍體小麥進(jìn)化過(guò)程中起著核心作用。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“遺傳發(fā)育所”）小麥研究團(tuán)隊(duì)利用二代測(cè)序技術(shù)對(duì)烏拉爾圖小麥進(jìn)行了全基因組測(cè)序，于 2013 年完成了小麥 A 基因組草圖的繪制。注釋出了 34 879 蛋白編碼基因，預(yù)測(cè)出了 1.6 萬(wàn)多個(gè)簡(jiǎn)單重復(fù)序列（simple sequence repeat，SSRs）、73.9 萬(wàn)多個(gè)插入位點(diǎn)的多態(tài)（insertion sitebased polymorphism，ISBPs）和 340 多萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)（single nucleotide polymorphism，SNP）分子標(biāo)記，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 Nature 雜志上[2]。之后，團(tuán)隊(duì)成員構(gòu)建了二倍體烏拉爾圖小麥 A 基因組的 BAC 文庫(kù)和物理圖譜，通過(guò) BAC-by-BAC 測(cè)序，并結(jié)合三代 PacBio 測(cè)序和最新基因組物理圖譜構(gòu)建等技術(shù)（10×Genomics，BioNano），完成了小麥 A 基因組的精細(xì)圖譜繪制。基因組大小為 4.94 Gb，組裝的 Contig（無(wú)N）序列總長(zhǎng)為 4.79 Gb（為基因組的 97%），Contig N50 為 344 kb；Scaffold（含 N）序列總長(zhǎng)為 4.86 Gb（為基因組的 98.4%），Scaffold N50 為 3.67 Mb。注釋出了 4 1507 個(gè)蛋白編碼基因，81.42% 的基因組序列為重復(fù)序列。通過(guò)比較基因組學(xué)研究，鑒定出了小麥 A 基因組在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)變異，并演繹出了小麥 A 基因組 7 條染色體的進(jìn)化模型，為小麥進(jìn)化分析和基因克隆提供了一個(gè)高質(zhì)量的參考基因組。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 2018 年 Nature雜志上[3]。

此外，美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)利用經(jīng)典的 BAC-by-BAC 測(cè)序結(jié)合 Bionano 和三代測(cè)序技術(shù)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院賈繼增團(tuán)隊(duì)采用二代結(jié)合三代測(cè)序技術(shù)和 NRgene 組裝技術(shù)，分別繪制完成小麥 D 基因組供體粗山羊草（Aegilopst auschii）的參考基因組精細(xì)圖譜，研究結(jié)果分別發(fā)表在 2017 年的 Nature 和 Nature Plant 雜志上[4,5]。與此同時(shí)，小麥四倍體祖先種野生二粒小麥（Triticum dicoccoides）的 AABB 基因組序列解析結(jié)果發(fā)表在 Science 雜志上[6]。尤其重要的是，國(guó)際水稻測(cè)序聯(lián)盟采用流式細(xì)胞儀分離技術(shù)將普通小麥“中國(guó)春”（Chinese Spring，CS）的染色體進(jìn)行分離，利用二代測(cè)序和 NRgene 組裝技術(shù)分染色體解析注釋了 CS 的參考基因組序列并公開(kāi)釋放（RefSeq-v1.0）[7]。這應(yīng)該是目前小麥染色體級(jí)別組裝最好的版本。

截至 2018 年 8 月，六倍體小麥及其親緣種 AA、DD、AABB 和 AABBDD 的精細(xì)基因組序列圖譜均已繪制完成，這為小麥的功能基因組學(xué)、比較基因組學(xué)和進(jìn)化基因組學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)；尤其在全基因組水平上認(rèn)識(shí)小麥的起源、馴化、人工選擇以及重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳和表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，挖掘優(yōu)異等位基因并利用于育種，對(duì)保障我國(guó)糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2 成功實(shí)踐“模塊耦合育種”理論

“分子模塊耦合育種”理論的提出是分子設(shè)計(jì)育種先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的理論創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)多年的攻堅(jiān)努力，目前該理論在小麥育種領(lǐng)域已經(jīng)得到實(shí)踐驗(yàn)證，成績(jī)斐然。西南地區(qū)是我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)之一，也是小麥條銹病的主要發(fā)源地。培育抗條銹病小麥新品種是對(duì)于從源頭上防治我國(guó)小麥病害尤為重要。在“多模塊耦合育種”理論的指導(dǎo)下，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所小麥研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)耦合抗條銹病分子模塊 Yr7 和 Yr17、無(wú)芒性狀分子模塊 Xgwm291 和矮稈分子模塊 Rht-D1b 育成了抗倒、抗病、優(yōu)質(zhì)、無(wú)芒、適宜機(jī)械化收割的小麥新品種“川育 25”。通過(guò)耦合大粒分子模塊 QTkw.saas-5B 和抗條銹病分子模塊 YrCH42 育成的高產(chǎn)抗病品種中“科麥 138”，是四川省近 10 年來(lái)唯一一個(gè)在區(qū)試和生產(chǎn)試驗(yàn)中產(chǎn)量提高均超過(guò) 10% 的突破性新品種，被列為 2016 年四川省主導(dǎo)小麥品種。通過(guò)導(dǎo)入糯性分子模塊（Wx-A1b、Wx-B1b 和 Wx-D1b）和低 PPO 分子模塊Ppo2A1b/Ppo2D 1a 育成的全糯專(zhuān)用優(yōu)質(zhì)小麥品種“中科糯麥1號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病等多個(gè)優(yōu)良性狀的有機(jī)結(jié)合，在食品加工與釀酒領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。截至 2018 年，這 3 個(gè)模塊新品種累計(jì)推廣面積已達(dá) 158 萬(wàn)畝，對(duì)我國(guó)西南地區(qū)小麥新品種升級(jí)換代起到了引領(lǐng)作用。

3 解析耐鹽、耐旱分子模塊

我國(guó)環(huán)渤海地區(qū)擁有 4 000 多萬(wàn)畝中低產(chǎn)田和 1 000 多萬(wàn)畝鹽堿荒地，長(zhǎng)期遭受旱、澇、堿災(zāi)害。培育抗旱、抗鹽堿的小麥新品種對(duì)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的增產(chǎn)和增收尤為重要。2017 年遺傳發(fā)育所培育的“小偃 60”通過(guò)了河北省農(nóng)作物品種委員會(huì)審定（冀審麥 2016030 號(hào)）。滄州的運(yùn)東地區(qū)（運(yùn)河以東地區(qū)）是土壤鹽堿程度較為嚴(yán)重地區(qū)，截至 2018 年，“小偃 60”在該地區(qū)的累積示范推廣面積已達(dá) 21 000 畝。通過(guò)構(gòu)建“中麥 175”與“小偃 60”的重組自交系群體，利用小麥 55K SNP 芯片構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，并結(jié)合苗期和大田成株期耐鹽相關(guān)表型的調(diào)查數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)定位到耐鹽相關(guān)的數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）數(shù)十個(gè)。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，“小偃 60 ”可能通過(guò)調(diào)節(jié)光合作用和茉莉酸信號(hào)通路增強(qiáng)自身的耐鹽、耐旱性。

4 研究展望

4.1 小麥全基因組測(cè)序和關(guān)聯(lián)分析

現(xiàn)有測(cè)序數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，六倍體小麥與二倍體、四倍體小麥基因組非常相似，說(shuō)明多倍體形成之后的基因損失是有限的。不過(guò)小麥基因組的一個(gè)特點(diǎn)是含有大量的重復(fù)序列，而且這些序列高度相似又不完全相同。因此，精確定位和分離小麥基因及轉(zhuǎn)錄本的難度還是挺大的。目前，長(zhǎng)片段三代測(cè)序技術(shù)日益普遍，這無(wú)疑為小麥基因組和轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序提供了便利。期望后續(xù)測(cè)序技術(shù)的變革和分析方法的改進(jìn)可以進(jìn)一步補(bǔ)充完善現(xiàn)有普通小麥基因組精細(xì)圖譜，或是完成更多小麥品種的基因組組裝和注釋。

在小麥參考基因組序列圖譜繪制方面，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)走在了前列，并為我國(guó)小麥功能基因組學(xué)研究搭建了良好的平臺(tái)。此外，伴隨測(cè)序成本的不斷降低，預(yù)期未來(lái)幾年內(nèi)小麥全基因組重測(cè)序和關(guān)聯(lián)分析研究會(huì)成為重要的發(fā)展方向。譬如，利用小麥近緣種、農(nóng)家種、主栽品種及其遠(yuǎn)緣雜交所構(gòu)建的易位系、附加系、代換系，以及飽和突變體庫(kù)等材料進(jìn)行全基因組重測(cè)序，重點(diǎn)開(kāi)展小麥及其親緣種復(fù)雜性狀的基因組學(xué)、表觀基因組學(xué)、比較基因組學(xué)和進(jìn)化基因組研究，在全基因組水平上揭示小麥起源與馴化的歷史，以及多倍體、二倍化的遺傳與表觀遺傳學(xué)機(jī)制，解析小麥重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘并利用優(yōu)異等位基因。此外，野生種質(zhì)資源研究已經(jīng)從野生資源的收集、保存轉(zhuǎn)向深入研究和利用，通過(guò)遺傳群體構(gòu)建或是多種質(zhì)資源的深度重測(cè)序，充分利用和挖掘野生遺傳資源將有利于改良現(xiàn)有作物品種。

4.2 表型分析平臺(tái)建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新

我國(guó)現(xiàn)有小麥種質(zhì)資源豐富，構(gòu)建的遺傳群體數(shù)目龐大，用于表型鑒定花費(fèi)的人力物力不計(jì)其數(shù)。如何快速準(zhǔn)確地獲得小麥單株或品系的表型數(shù)據(jù)，一直是育種家和研究者面臨的困境。表型分析平臺(tái)就是新興的、可以進(jìn)行種質(zhì)資源表型研究和精準(zhǔn)鑒定的大型科學(xué)裝置或設(shè)施。遺傳發(fā)育所的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)作物株型和穗型等三維構(gòu)象，利用高分辨激光/軟射線成像系統(tǒng)、高精度圖像解析與重建等方法和技術(shù)，搭建了水稻、小麥等品系株型和穗型的表型分析平臺(tái)。此外，無(wú)人機(jī)搭載高清攝像機(jī)或紅外儀等，通過(guò)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍田間作物的表型采集工作，已在陸續(xù)開(kāi)展。這些新技術(shù)、新方法的推廣應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)種質(zhì)資源的利用和品種的選育過(guò)程。

4.3 小麥功能基因組研究

當(dāng)前，功能基因組學(xué)已成為目前生命科學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)與重點(diǎn)發(fā)展方向。隨著人類(lèi)基因組、模式動(dòng)植物基因組等測(cè)序工作的相繼完成，生命科學(xué)已從整體上進(jìn)入以功能基因組學(xué)研究為核心的后測(cè)序時(shí)代，世界各國(guó)對(duì)各種后測(cè)序基因組計(jì)劃高度重視。例如，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)先后啟動(dòng)了多個(gè)物種的 ENCODE 計(jì)劃和四維細(xì)胞核組學(xué)項(xiàng)目。但是，我國(guó)在復(fù)雜多倍體基因組及其功能基因組學(xué)領(lǐng)域還處于跟蹤與追趕階段。多倍體小麥參考基因組的問(wèn)世，為我們提供了很好的契機(jī)。如何借鑒模式植物擬南芥和水稻功能基因組研究的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合小麥基因組的自身特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一套適合小麥突變體的快速圖位克隆技術(shù)，應(yīng)該是小麥研究人員共同面臨的一個(gè)課題。

Mut-Map 是利用野生型和突變體構(gòu)建的分離群體進(jìn)行測(cè)序并快速定位功能基因的成熟技術(shù)。鑒于小麥巨大基因組和昂貴的測(cè)序成本，科研人員可以同時(shí)借助轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、捕獲測(cè)序、RNA-Seq 和重測(cè)序等多重手段幫助實(shí)現(xiàn)小麥功能基因的快速定位。BSR-Seq 技術(shù)就是融合集群分離分析（bulked segregant analysis，BSA）和 RNA-seq 分析，可以實(shí)現(xiàn)小麥基因快速定位的一種方法[8]。

4.4 基因編輯技術(shù)

基因編輯技術(shù)是利用人工核酸酶對(duì)基因組進(jìn)行靶向修飾的遺傳工程技術(shù)，是當(dāng)今生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。遺傳發(fā)育所高彩霞團(tuán)隊(duì)一直致力于作物基因組編輯方法的研究和應(yīng)用。2014 年，該團(tuán)隊(duì)首先利用 TALEN 技術(shù)敲除小麥 MLO 基因?qū)崿F(xiàn)對(duì)白粉病的廣譜抗性[9]。CRISPR/Cas9 基因編輯系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便及高效的特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的基因編輯技術(shù)。之后，該團(tuán)隊(duì)又率先在小麥、水稻和玉米三大重要農(nóng)作物成功實(shí)現(xiàn)了單堿基編輯技術(shù)并運(yùn)用到性狀改良上[10]。此外，通過(guò)將 CRISPR/Cas9 蛋白和 gRNA 在體外組裝成核糖核蛋白復(fù)合體（RNP），再利用基因槍法進(jìn)行轉(zhuǎn)化和定點(diǎn)編輯，該團(tuán)隊(duì)已在小麥中成功建立了全程無(wú)外源 DNA 的基因組編輯體系[11]。這種 DNA-free 的基因編輯技術(shù)具有精準(zhǔn)、特異、簡(jiǎn)單易行、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，并且有助于最大程度的減少監(jiān)管，建立起精準(zhǔn)、生物安全的新一代育種技術(shù)體系，加快作物基因組編輯育種產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

4.5 芯片開(kāi)發(fā)及輔助育種

長(zhǎng)期以來(lái)，局限于小麥功能基因的數(shù)量和注釋信息太少，分子輔助育種技術(shù)一直無(wú)法推廣；伴隨基因組測(cè)序和基因克隆技術(shù)的發(fā)展，相信會(huì)有越來(lái)越多的小麥功能基因被克隆和應(yīng)用到分子育種實(shí)踐中。近年來(lái)，小麥 SNP 芯片的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更為普及，多個(gè)國(guó)內(nèi)單位和公司合作開(kāi)發(fā)的新芯片相繼推出。這些 SNP 檢測(cè)技術(shù)將為小麥全基因組關(guān)聯(lián)分析、重要基因/QTL 連鎖定位以及育種親本及后代材料的分子檢測(cè)提供重要的技術(shù)支撐。已有文章報(bào)道，利用 Illumina Infinium iSelect 90K SNP 芯片技術(shù)結(jié)合 BSA 集群分離分析法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的小麥新品系或品種中抗白粉病基因的定位[12]。

此外，育種芯片的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用極大提高了高通量篩選鑒定后代群體的效率。小麥傳統(tǒng)常規(guī)育種一般依靠品種間雜交，因此導(dǎo)致遺傳多樣性的喪失。植物細(xì)胞與染色體工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在李振聲院士的帶領(lǐng)下，長(zhǎng)期致力于小麥遠(yuǎn)緣雜交和染色體工程育種研究，成功將偃麥草的染色體組、染色體、染色體片段導(dǎo)入小麥，育成小偃麥八倍體、異附加系、異代換系和易位系等雜種新類(lèi)型，以及“小偃 6 號(hào)”等高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣譜抗病小麥品種。但是，小麥遠(yuǎn)緣雜交育種研究一直以來(lái)還局限于在細(xì)胞遺傳學(xué)水平上。借助于基因組測(cè)序技術(shù)和育種芯片的開(kāi)發(fā)，相信會(huì)更快地推動(dòng)小麥遠(yuǎn)緣雜交品種的選育進(jìn)程。