這項(xiàng)里程碑式的研究產(chǎn)生了第一個(gè)全球小麥改良基因組圖譜

在全球小麥生產(chǎn)的里程碑式發(fā)現(xiàn)中，由薩斯喀徹溫大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)對(duì)代表全球育種計(jì)劃的15個(gè)小麥品種的基因組進(jìn)行了測(cè)序，使科學(xué)家和育種者能夠更快地識(shí)別有影響力的基因，從而提高產(chǎn)量、抗蟲(chóng)性和其他重要作物性狀。

研究成果剛剛在《自然》發(fā)表，提供了歷史上最全面的小麥基因組序列圖譜。與10多個(gè)基因組項(xiàng)目的合作涉及來(lái)自加拿大、瑞士、德國(guó)、、英國(guó)、沙特阿拉伯、墨西哥、以色列、澳大利亞和美國(guó)的大學(xué)和研究所的95多名科學(xué)家。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、小麥育種家、USask作物發(fā)展中心(CDC)負(fù)責(zé)人柯蒂斯波茲南克(Curtis Pozniak)說(shuō)，“這就像是為你幾十年來(lái)最喜歡的問(wèn)題尋找缺失的部分?！薄巴ㄟ^(guò)提供許多完整的基因組裝體，我們現(xiàn)在可以幫助解決巨大的小麥泛基因組這一巨大難題，為小麥的發(fā)現(xiàn)和育種開(kāi)辟新的時(shí)代?！?

預(yù)計(jì)全球麥田的科學(xué)群體將利用新資源鑒定與需求性狀相關(guān)的基因，這將加快育種效率。

“這種資源使我們能夠更精確地控制育種，以提高小麥改良的速度，從而給農(nóng)民和消費(fèi)者帶來(lái)利益，滿足未來(lái)的糧食需求，”P(pán)ozdnyak說(shuō)。

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植最廣泛的谷類(lèi)作物之一，在全球糧食安全中發(fā)揮著重要作用，占全球人類(lèi)熱量攝入的20%。據(jù)估計(jì)，到2050年，小麥產(chǎn)量必須增加50%以上，才能滿足日益增長(zhǎng)的全球需求。

作為另一個(gè)國(guó)際財(cái)團(tuán)的一部分，2018年，來(lái)自USask的研究人員在解碼面包小麥品種春春的基因組中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是小麥基因組的第一個(gè)完整參考，也是一個(gè)重要的技術(shù)里程碑。研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

波茲南說(shuō)：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)將小麥基因組序列的數(shù)量增加了10倍以上，這樣我們就可以識(shí)別出小麥品系之間的遺傳差異，這對(duì)育種非常重要。”“我們現(xiàn)在可以比較和對(duì)比所有互補(bǔ)的遺傳差異，這些差異使每個(gè)品種都獨(dú)一無(wú)二?！?

萊布尼茨植物遺傳與作物植物研究所(IPK)的Nils Stein是德國(guó)項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人，他說(shuō)：“鑒于中國(guó)春季參考基因組對(duì)研究和應(yīng)用的巨大影響，這是過(guò)去兩年的一項(xiàng)重大成就。稍后，我們將在世界許多不同地區(qū)提供與小麥改良計(jì)劃相關(guān)的其他序列資源?！?

基因組研究代表著產(chǎn)生數(shù)千個(gè)小麥基因組序列的更大努力的開(kāi)始，包括從小麥的野生近緣帶來(lái)的遺傳物質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)可以追蹤基因材料的獨(dú)特DNA標(biāo)記，育種者已經(jīng)從幾個(gè)不習(xí)慣的小麥親戚那里整合到現(xiàn)代品種中一個(gè)世紀(jì)了。

Pozdnyak說(shuō)：“這些小麥近親已經(jīng)被育種家用來(lái)提高小麥的抗病性和抗逆性?！薄捌渲幸粋€(gè)親戚向現(xiàn)代小麥貢獻(xiàn)了一個(gè)DNA片段，其中包含抗病基因，并提供了針對(duì)各種真菌疾病的保護(hù)。我們來(lái)自堪薩斯州立大學(xué)和CIMMYT(墨西哥)的合作伙伴表明，這一細(xì)分市場(chǎng)可以增加高達(dá)10%的產(chǎn)量。由于育種是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，我們可以繼續(xù)在植物中選擇這一有價(jià)值的性狀?！?

波茲南的團(tuán)隊(duì)與加拿大農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)和食品部以及加拿大國(guó)家研究委員會(huì)的科學(xué)家合作，還通過(guò)基因組序列分離出了一種抗蟲(chóng)基因(稱(chēng)為Sm1)，這種基因可以使小麥植株抵抗橙色小麥開(kāi)花中期。這種害蟲(chóng)每年可能給加拿大西部的生產(chǎn)者造成6000多萬(wàn)加元的損失。

波茲南說(shuō)：“了解這樣的致病基因可以改變育種的游戲規(guī)則，因?yàn)槟憧梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的DNA測(cè)試比通過(guò)人工田間測(cè)試更有效地選擇對(duì)害蟲(chóng)的抗性?！?

USask團(tuán)隊(duì)還包括本文第一作者Sean Walkowiak(曾在波茲南團(tuán)隊(duì)工作，現(xiàn)隸屬于加拿大谷物理事會(huì))、開(kāi)發(fā)可視化軟件的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Carl Gutwin，以及一個(gè)比較基因組序列的用戶友好型數(shù)據(jù)庫(kù)。美國(guó)農(nóng)業(yè)部全球食品安全研究所的基因組學(xué)和生物信息學(xué)專(zhuān)家安德魯夏普負(fù)責(zé)此事。他通過(guò)組學(xué)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室(OPAL)進(jìn)行測(cè)序工作，OPAL是一個(gè)提供基因組學(xué)、圖像和生物信息學(xué)服務(wù)的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。

國(guó)際小麥研究機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)“小麥倡議”將“十大基因組計(jì)劃”作為最高優(yōu)先事項(xiàng)。

小麥科學(xué)倡議的協(xié)調(diào)員彼得說(shuō)：“這個(gè)項(xiàng)目是世界領(lǐng)先研究小組之間協(xié)調(diào)的一個(gè)很好的例子?；旧?，每個(gè)從事小麥基因發(fā)現(xiàn)、基因分析和分子育種技術(shù)部署的團(tuán)隊(duì)都會(huì)利用這一資源?！崩世锲妗?

加拿大的資金來(lái)自加拿大基因組應(yīng)用基因組(CTAG2)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目由加拿大基因組、基因組草原、西部谷物研究基金會(huì)、薩斯喀徹溫省政府、薩斯喀徹溫省小麥發(fā)展委員會(huì)、艾伯塔省小麥委員會(huì)、維特拉和曼尼托的小麥和大麥種植者贊助。

協(xié)會(huì)資助，以及通過(guò)USask的植物表型和影像研究中心(P2IRC)發(fā)起的加拿大第一研究卓越基金。

Genome Canada總裁兼首席執(zhí)行官Rob Annan表示：“該項(xiàng)目是基因組學(xué)如何支持食品生產(chǎn)中增強(qiáng)彈性并增強(qiáng)加拿大出口領(lǐng)導(dǎo)地位的主要例證。”

“部署基因組學(xué)以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化，解決糧食和營(yíng)養(yǎng)不安全問(wèn)題以及改善作物健康對(duì)農(nóng)民和消費(fèi)者都是有益的，這項(xiàng)研究將為我們的經(jīng)濟(jì)帶來(lái)切實(shí)的回報(bào)。加拿大研究人員及其國(guó)際合作者強(qiáng)調(diào)了基因組學(xué)對(duì)加拿大人和全世界其他人的生活產(chǎn)生積極影響的潛力。”