10000多年前北京門(mén)頭溝的先民吃的是什么主食?4000多年前的青海人用什么做面條?是什么作物讓6000年前的中原人口第一次大幅度增加?
考古證明,答案都是谷子,也就是人們俗稱(chēng)的小米。
谷子穗。中國(guó)農(nóng)科院作科所梁紅凱攝
6月8日,《自然—遺傳》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)在全球首次完成的谷子高質(zhì)量圖泛基因組圖譜。該研究不僅從基因組水平上證明了中國(guó)是谷子唯一起源地,而且創(chuàng)制了谷子圖基因組精準(zhǔn)高效育種方法,為培育突破性品種提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士李家洋指出,這是雜糧領(lǐng)域第一個(gè)高質(zhì)量圖泛基因組,對(duì)未來(lái)育種應(yīng)用有特殊的重要性。這一成果不僅是谷子研究又一次“里程碑”式工作,也是對(duì)“小作物—大作為”的最好詮釋?zhuān)?duì)其他作物研究具有重要推動(dòng)作用。
谷子的身份變化
谷子隸屬禾本科狗尾草屬,是世界上最古老的馴化作物,也是亞洲/中華農(nóng)耕文明形成的主體作物。
考古發(fā)現(xiàn)最早的谷子出現(xiàn)在北京市門(mén)頭溝區(qū)的東胡林遺址,距今11500年。而歐洲的谷子沒(méi)有早于3500年的。
論文通訊作者刁現(xiàn)民告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,在高投入(水利、化肥、農(nóng)藥)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)到來(lái)之前,谷子在農(nóng)耕文化中長(zhǎng)期占據(jù)主糧地位。
夏商以來(lái)谷子在糧食中占有首要地位。魏晉南北朝時(shí)期,南方谷子得到空前發(fā)展,達(dá)到歷史繁盛頂點(diǎn)。隋唐時(shí)期,谷子進(jìn)入第一次衰退期,稻麥地位上升,取代谷子的傳統(tǒng)地位,形成南稻北麥的格局,但谷子仍是當(dāng)時(shí)的核心農(nóng)作物。
近代,隨著小麥水稻等作物綠色革命的突破,谷子作為主糧的優(yōu)勢(shì)被逐步削弱。“實(shí)際上谷子由一個(gè)大作物變成小作物僅僅是近40年的事?!钡蟋F(xiàn)民說(shuō),黑龍江在建國(guó)初期是全國(guó)最大的谷子種植省。1978年,黑龍江省的谷子種植面積達(dá)2000萬(wàn)畝;而現(xiàn)在全國(guó)谷子種植面積才2000萬(wàn)畝。
不過(guò),谷子的籽粒小米營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,這使它成為了深受人們喜愛(ài)的雜糧。
近年來(lái),隨著氣候變化、農(nóng)業(yè)可持續(xù)性及糧食安全的挑戰(zhàn)日趨顯著,科學(xué)家對(duì)耐旱、耐瘠薄、擁有碳四高效光合作用、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和養(yǎng)分利用效率高,具有較小的二倍體基因組、短生育周期、易轉(zhuǎn)化和易實(shí)驗(yàn)室操作的谷子,給予了新的關(guān)注和希望。
刁現(xiàn)民從1987年開(kāi)始從事谷子研究,至今已收集了20多個(gè)種1500多份各類(lèi)各樣的狗尾草屬材料?!拔覈?guó)的谷子農(nóng)家品種和育成品種是世界最豐富的。農(nóng)家品種大概有27000多份;育成種水平在國(guó)際上是最領(lǐng)先的。”
刁現(xiàn)民說(shuō),要想更好的利用這些材料,必須對(duì)谷子的基因型和表型有精準(zhǔn)的鑒定?!艾F(xiàn)在谷子和其他大作物相比,產(chǎn)量水平仍然很低。谷子在不澆水不施肥的情況下一般畝產(chǎn)為250~300公斤;典型的高產(chǎn)田塊有水有肥的,最高產(chǎn)量可達(dá)700公斤。主要原因是我們對(duì)谷子的野生種、農(nóng)家種、育成種的群體結(jié)構(gòu)、演化關(guān)系以及歷史沒(méi)有清楚的認(rèn)識(shí)。”
成熟的谷子。河南伊川呂店供圖
這些問(wèn)題包括,谷子基因組變異水平仍然不是很清楚,特別是在結(jié)構(gòu)變異上沒(méi)有什么信息;資源表型鑒定記錄信息不完整;在谷子的馴化和育種過(guò)程中,究竟哪些基因、哪些區(qū)段、哪些位點(diǎn)經(jīng)過(guò)了選擇,也不清楚?!斑@都需要我們做更深入的工作?!?/p>
繪制第一部雜糧“天書(shū)”
“今天發(fā)表的這項(xiàng)工作,其實(shí)是上述大工程的一部分,是這個(gè)大工程的副產(chǎn)品,并不是短時(shí)間之內(nèi)決定去做的一篇論文,而是隨著研究的深入、技術(shù)的進(jìn)步,與育種和生產(chǎn)需要整合起來(lái),長(zhǎng)期積累得到的研究成果?!弊鳛閲?guó)家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的首席科學(xué)家,刁現(xiàn)民希望徹頭徹尾地搞清楚谷子這個(gè)作物,并在此基礎(chǔ)上培育出更好的品種,讓谷子在糧食系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。
正是為了徹頭徹尾地搞清楚,使得谷子成為雜糧里第一個(gè)擁有圖泛基因組的作物。
所謂泛基因組是指一個(gè)物種全部的基因信息,而圖基因組則包含了一個(gè)物種基因組中所有的結(jié)構(gòu)變異。也就是說(shuō),圖泛基因組是目前的科學(xué)技術(shù)所能繪制的一個(gè)物種最清晰、最詳細(xì)、最全面的基因組信息,相當(dāng)于物種基因組的“天書(shū)”。
刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)對(duì)谷子野生種、農(nóng)家品種和現(xiàn)代育成品種等1844份核心種質(zhì)資源群體進(jìn)行解析,從頭組裝了110個(gè)谷子和狗尾草高質(zhì)量基因組,繪制了首個(gè)狗尾草屬基因組變異圖譜,認(rèn)識(shí)了谷子資源變異的基本情況,系統(tǒng)解析了谷子馴化和改良過(guò)程中的基因組變異。
論文共同第一作者、作科所博士后賀強(qiáng)介紹,利用核心種質(zhì)——1844份谷子、狗尾草的高倍重測(cè)序,將狗尾草屬的物種清晰的聚類(lèi)。其中,狗尾草分為四個(gè)亞群。而狗尾草馴化成谷子,形成春、夏谷子亞群之前,還有一個(gè)更為古老的亞群C3,該亞群具有更廣的地理分布、更強(qiáng)的環(huán)境適宜性,對(duì)未來(lái)谷子環(huán)境適宜性改良具有重要意義。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員、中國(guó)工程院院士劉旭說(shuō),這從遺傳學(xué)上肯定了谷子單起源中心,即中國(guó)起源中心的理論,是利用新技術(shù)進(jìn)行資源研究的典型代表。
不僅如此,他們還研究了谷子是如何馴化改良的。賀強(qiáng)介紹,他們總共鑒定出4582個(gè)和谷子馴化有關(guān)的結(jié)構(gòu)變異,152個(gè)和谷子育種改良相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異,并鑒定出680個(gè)在馴化改良中持續(xù)被選擇的結(jié)構(gòu)變異相關(guān)基因,其主要富集在生殖、光周期、色素、及氮利用等代謝途徑。
2023年是國(guó)際小米年,聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織認(rèn)為小米理應(yīng)獲得重視,并在我們的膳食結(jié)構(gòu)中擁有一席之地,因?yàn)樾∶啄転槠渌魑锼荒転?,可以在惡劣的氣候條件下生長(zhǎng),促進(jìn)解決糧食短缺問(wèn)題;有助于健康膳食;具有氣候韌性;對(duì)增進(jìn)小農(nóng)生計(jì)大有可為;小米貿(mào)易可以增進(jìn)全球糧食體系的多樣性;在治療和制藥等領(lǐng)域的創(chuàng)新用途眾多。
發(fā)表谷子的圖泛基因組圖譜,刁現(xiàn)民認(rèn)為,這是中國(guó)科學(xué)家對(duì)國(guó)際小米年最好的支持。
建立未來(lái)育種的大數(shù)據(jù)庫(kù)
僅僅是繪制圖泛基因組,已經(jīng)是一項(xiàng)龐大的工作。然而,刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有止步于此。
“我們和別的工作做得不一樣的地方是,我們進(jìn)行了大量的表型鑒定?!钡蟋F(xiàn)民說(shuō),他們依靠17家單位在全國(guó)13個(gè)地方進(jìn)行了680個(gè)材料10年22個(gè)環(huán)境的基本農(nóng)藝性狀的調(diào)查,是真正的多年多點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
“我們不僅調(diào)查了株高、穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)、穗粒重這些常見(jiàn)的性狀,還研究了萌芽期、苗期、全生命周期的抗旱性,落粒性、米色、籽粒的品質(zhì)性狀等,形成了68個(gè)性狀、226組表型數(shù)據(jù),實(shí)際上就是個(gè)表型組。”刁現(xiàn)民說(shuō),他們重點(diǎn)做了與育種有關(guān)的、更實(shí)用的性狀鑒定。例如,他們?cè)谛陆隽?年全生育周期的抗旱性調(diào)查,在山西做了3年萌芽期的抗旱性調(diào)查,在河北衡水做了苗期的抗旱性調(diào)查。
更重要的是,他們還把圖泛基因組和表型組這兩個(gè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)接,一共發(fā)掘了1084個(gè)表型相關(guān)的位點(diǎn),其中結(jié)構(gòu)變異占到了5.8%。
論文共同第一作者、作科所副研究員湯沙告訴記者,在沒(méi)有圖基因組之前,是看不到基因組里的結(jié)構(gòu)變異的。然而,谷子一些重要的農(nóng)藝性狀,如淀粉、開(kāi)花期和穗重等,卻是結(jié)構(gòu)變異基因決定的。
“有了這些基因及其信息,我們就可以建立起來(lái)一個(gè)分子育種模塊。這些信息也給基因型、表型相互估算,靠基因型來(lái)估算表型提供了一個(gè)方法,這就是全基因組選擇育種?!钡蟋F(xiàn)民說(shuō),這是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),可以從中知道某一個(gè)性狀的最優(yōu)基因是什么。有了這個(gè)家底,以后在育種中就可以把好的基因聚攏在一起,為未來(lái)的育種提供分子和表型基礎(chǔ)。
“這讓我們更清晰的看到了基因組結(jié)構(gòu)變異對(duì)發(fā)掘基因功能的重要性?!敝袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士錢(qián)前說(shuō)。
中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任、中國(guó)科學(xué)院院士韓斌說(shuō):“該工作中全基因組選擇的表型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度超過(guò)90%,使我們也看到了全基因組選擇在谷子育種中的應(yīng)用潛力。我認(rèn)為該研究不僅是谷子也是作物領(lǐng)域中‘泛基因組—數(shù)量遺傳—育種’的經(jīng)典之作,對(duì)未來(lái)作物遺傳改良具有重要指導(dǎo)意義?!?nbsp;
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-023-01423-w