小麦基因组破译难度非常巨大
小麦是全球非常重要的农作物,联合国粮农组织2017年公布的数据,小麦提供的蛋白质超过了所有肉类的总和。从粮食安全、文化的角度来说,它是一个非常重要的食品;从贸易角度说,中国是全球最大的小麦消费国,也是最大的小麦生产国。
“小麦的重要性远远超过一般的农作物,但所有的农作物都有了基因组或者叫‘密码本’,唯独小麦没有,落在了最后一名。”为什么?宋卫宁解释道,难点在于小麦的基因组特别大、特别复杂、重复序列特别高,破译难度非常巨大,导致其基因组“姗姗来迟”,基因组序列一直没有做出来。
“特别大”——它是人类基因组的6倍,是水稻基因组的40倍。“从大小来说,人的基因组只有3个G,而小麦差不多是人的6倍。也就是说,小麦大得多,人的基因组大约是小麦的1/6,6个人的基因组才是一个小麦。”
“特别复杂”——小麦是3个不同的基因组绑在一块的,而且是几个不同的物种杂交在一块,是几个基因组同时存在一块的,它的学名叫“异源六倍体”。“它的复杂程度不是简单的成倍,3个基因组中大概90%多是相似的,小部分是不同的,研究起来非常麻烦。”
“重复序列特别高”——“人大概是50%的重复序列,而小麦差不多90%的序列是重复序列,我们测序的话可能是几百次的重复,实际上它可能是重复了一万遍。还有一个,它的AAT可能在这一段,实际上不同的染色体都有分布。这样的话,对于研究者来说是特别大的阻碍。”
破译小麦基因组,在上世纪末、本世纪初,被很多领域的科学家认为不可能完成,在当时的技术条件下相当难。宋卫宁说:“我们都需要这个密码本去解析小麦的现象,改进现有的品种,让它更高产、更抗旱抗盐、抗高温,要研究不同的逆境、冻害和病虫害,没有这个密码本,很多东西就做不成或者很难去做。”
“中国春”是种植在四川省成都平原的一个地方品种。上世纪四五十年代,美国著名学者西尔斯通过研究,从“中国春”衍生出一系列小麦染色体材料。
攻克“7DL染色体”堡垒,“参与的师生可以坐满一节车厢”
2005年开始,国际小麦基因组测序联盟将“中国春”的21条染色体进行了分离,并构建了相应的细菌人工染色体文库,后续的物理图谱构建、细菌人工染色体测序和序列的组装与分析则由联盟各成员分担。染色体最初的分离,与BAC文库的构建,由捷克的研究团队负责,之后由IWGSC协调委员会牵头,各国成员依照自身条件“一段段认领”,再分头完成后续的物理图谱构建和BAC测序。
宋卫宁解释说:“就是把小麦的基因组‘化整为零’,把21对染色体分离出来,再把每条染色体做成库,做成小的片段,把复杂的‘庞然大物’分解成小的能‘一口咬下’、还能咬碎、消化掉的东西。这样的话,就不受其他重复序列的干扰,也降低了测序的成本。”
不断涌现的研究突破,让更多科学家看到希望,小麦全基因组图谱的前景也逐渐明朗起来。
2008年,法国农科院研究团队发布了小麦染色体中最大的一条——3B染色体的物理图谱;2013年,中科院遗传发育所和中国农科院作物所分别完成小麦祖先A和D基因组草图;2017年,IWGSC宣布:小麦品系“中国春”染色体物理图谱构建完成;同年,美国加州大学戴维斯分校研究团队获得小麦祖先D基因参考序列……
宋卫宁团队负责7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。他介绍说,小麦有3个基因组A、B、D,每一个基因组有7对染色体,“7DL”就是第1个染色体的第7条,L是长臂。“这条长臂虽然只是3个基因组中一个基因组里的一对染色体的一段,但7DL染色体的大小就相当于整个水稻的全部基因组。”“参与的师生可以坐满一节车厢!”
最终,20多个国家的科研人员,分头完成了物理图谱的构建。研究人员整合了21条小麦染色体的参考序列,获得10.7万个基因,超过400万个分子标记,以及影响基因表达的序列信息。“中国春”基因组图谱的绘制完成,使科学家对小麦生长发育规律的了解发生了质的飞跃,也为未来人类更好地利用小麦做了重要铺垫。
宋卫宁说:“我们研究小麦的生命现象,有了这个‘密码本’和蓝图,就方便很多了,可以更有效率地加快小麦的育种进程。”“有了它,小麦的育种、遗传研究,就可以向前推进一大步。”
他表示:“未来,我们还将继续开展序列分析工作,将小麦基因组的进化、序列与分子育种、遗传育种结合起来,培育高产、抗旱、抗盐、抗病虫的小麦新品种,以更好应对全球气候变化及人口增加带来的食品短缺挑战,为小麦基因组改良工作奠定基础。”
文:报驻陕记者韩 宏
图:韩 宏 西北农林科技大学
责任编辑:朱 辉
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