黃饃饃、炸糕是我國北方的傳統(tǒng)美食,它們的主要制作原料大黃米學(xué)名叫黍稷,又稱黍子、糜子。然而,學(xué)界對這一古老作物的“身世”卻一直存在爭論。黍稷起源于何處,是印度、中國還是阿拉伯地區(qū)?對于黍稷遺傳結(jié)構(gòu)、基因組變異等基礎(chǔ)研究也因原始野生種的缺失而一直難以突破。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所團隊十多年致力于黍稷的研究,終于構(gòu)建出第一個高質(zhì)量泛基因組和遺傳變異圖譜。近日,該成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然—遺傳學(xué)》。這一圖譜為我們揭開了古老作物怎樣的身世之謎?又將如何發(fā)揮黍稷在現(xiàn)代的有效應(yīng)用?
黍稷,老百姓叫大黃米。在一萬年前的河北磁山,我國的先民已經(jīng)馴化并大量種植和儲藏黍稷。然而,隨著水稻、小麥和玉米等主糧作物的興起,黍稷逐漸成為非主要農(nóng)作物。論文共同通訊作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員刁現(xiàn)民告訴記者,近年來,隨著氣候環(huán)境的變化、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及糧食安全的需求,黍稷因其生育期短、耐旱耐瘠薄、適應(yīng)鹽堿脅迫環(huán)境等特點,再次受到廣泛關(guān)注。
刁現(xiàn)民:在我們長期的農(nóng)耕文明建設(shè)中,實際上它是個主糧,大家是整天吃的。在國外像俄羅斯面積很大,烏克蘭、美國最近幾年發(fā)展很快,不過這些國家尤其是美國主要做飼料。在咱們國家實際上是做糧食,主要在黃土高原這一帶,它叫大黃米,有不黏的,黃米饃饃,黃米酸飯,還有黏的,華北平原東北這一帶的人喜歡吃這個黏的,就是黃面的年糕、黃豆包。
黍稷是一個抗逆的先鋒作物,也是穩(wěn)產(chǎn)保收作物。只要種下了黍稷,能出苗就能有收成。目前我國的黍稷主要在西北地區(qū)種植,每年種植面積約900萬畝。一般黍稷畝產(chǎn)可達300—400斤每畝。因為其能夠保收成,西北黃土高原老百姓每年都要種上2—3畝。
目前學(xué)術(shù)界缺乏對黍稷品種資源群體遺傳結(jié)構(gòu)、基因組變異、馴化和育種相關(guān)功能基因等系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究,制約了黍稷育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。為了調(diào)研黍稷的核心種質(zhì)資源,2009年,刁現(xiàn)民開始在我國西北和東北地區(qū)走訪。
刁現(xiàn)民:調(diào)研過程中我就發(fā)現(xiàn)這種生物多樣性很差,就說它總是那個樣子,沒有大的變化,而且老百姓種了這些品種好像也沒有多大進步,感覺都是老輩子傳下來的品種,所以我就想這個得研究。我們就開始準備材料、設(shè)計、搜集相關(guān)的信息做準備,慢慢有一個頂層設(shè)計。最大的一個問題它沒有原始野生種,所以我們光準備這些材料花了很長時間。我們這次做的工作實際上是覆蓋了全世界,這樣才有說服力。
刁現(xiàn)民團隊用10年時間構(gòu)建了黍子的核心種質(zhì)群體,包括63份野生種、415份農(nóng)家品種和38份現(xiàn)代栽培種。他們對其進行了高覆蓋率的重測序,并進一步成功從頭組裝了32個高質(zhì)量基因組,由此構(gòu)建了黍稷的泛基因組。研究結(jié)果將黍稷的野生種和栽培種清楚地分開,而栽培種又可以分為三類。研究結(jié)果證實了刁現(xiàn)民此前的直觀發(fā)現(xiàn):黍稷基因組變異水平低。
刁現(xiàn)民:谷子、水稻和黍子這三種作物來看,黍稷作物的遺傳多樣性是最低的,它只相當于水稻的20%,谷子和水稻多態(tài)性幾乎是一樣的。也就是說黍稷的基因組都沒啥變異,品種之間都一樣的。
黍稷大規(guī)模種質(zhì)及基因資源挖掘利用
隨后,團隊又結(jié)合2年7個地點的黍稷表型精準鑒定數(shù)據(jù),開展了全基因組關(guān)聯(lián)分析和群體變異研究,挖掘到多個與落粒、穗型、粒色等農(nóng)藝性狀形成相關(guān)的基因位點。同時,研究結(jié)果還證實,黍稷起源于中國,大概在4500年開始傳到了中亞,到3500年前后傳到了歐洲。
刁現(xiàn)民:實際上我們現(xiàn)在不僅僅證明了是中國起源,而且證明了大致的位置應(yīng)該在中國的西北地區(qū)。時間上現(xiàn)在來看大概在15000年。形成以后,它又往兩個方向傳播:一個方向傳播就是往東部走,它原來最初形成的時候它是不黏的,往東部就走到了我們國家的華北和東北,在這個地方它逐漸形成了黏的;然后再往西走,我們的蒙古族喝奶茶,奶茶里邊要泡炒米全是那個產(chǎn)品,它就是要那種不黏的。
刁現(xiàn)民團隊成功構(gòu)建的首個黍稷泛基因組為研究黍稷馴化過程中的基因組變異提供了重要的數(shù)據(jù)支持,為黍稷的基因組研究奠定了堅實的基礎(chǔ),為后續(xù)的抗性改良等分子育種工作提供了重要的參考,也為進一步推動黍稷這一重要谷物資源的利用和研究帶來了新的機遇。
刁現(xiàn)民:氣候變化加速度在發(fā)展,兩個最大的特點:一個就是溫度變高,一個就是水資源減少,針對這種氣候變化就得找抗旱耐瘠薄的作物,禾本科里邊黍稷就是最好的。如果我們懂了它的機理,第一可以增加黍稷自己的抗旱耐瘠薄性,還可以把這些機理搬到別的作物上。實際上根據(jù)最近這10年、20年我們分子生物學(xué)的發(fā)展,就像水稻、小麥、玉米、谷子、高粱這些禾本科作物基本上就是一家,基因好多都是共用的,如果我們能找到這些好的基因,也能夠把其他的一些主糧作物,它的抗病性、節(jié)水性、抗旱性、耐逆性能夠提高,意義也是重大的。