三夏季節(jié),全國3億畝小麥正在緊張地收獲中,和過去相比,小麥產量越來越高,但很少有人了解,小麥卻正在變得越來越脆弱。
從上世紀初開始,以工業(yè)氮肥為代表的化肥革命、以矮稈化為代表的農業(yè)綠色革命,急劇改變了小麥1萬年的馴化史和全球小麥遺傳多樣性組成。短短100年間,高產、化肥適應性更好的新品種風行全球,替代了豐富多樣的地方品種。
然而,小麥產量快速提高的同時,生物多樣性也在快速消失。100年后的今天,多樣性匱乏的結果逐漸顯現(xiàn),面對急劇變化的全球氣候,小麥這個全球30多億人的主食,正在面臨著重重危機。
找回100年中消失的遺傳多樣性,是解決未來危機的重要途徑。6月17日23時,國際頂尖期刊《自然(Nature)》刊登了中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所聯(lián)合國內外多家優(yōu)勢單位完成的最新研究成果。該研究構建了目前最全面的小麥群體基因組變異圖譜、表型組變異圖譜,并進一步結合豐富的群體遺傳資源,開展了系統(tǒng)的小麥性狀和基因發(fā)掘研究,打通了小麥從基因組解碼到育種設計的全鏈條貫穿體系。
百年之間,消失的小麥基因
小麥是最大的全球性糧食作物之一,這個發(fā)源于西亞兩河流域的作物,從1萬年前被馴化開始,就成了人類獲取能量和營養(yǎng)的重要來源,從中亞到東亞,從南美到北歐,世界40%以上的人,以小麥為主食。而在全球傳播的過程中,小麥逐漸適應各個地方的環(huán)境,形成了豐富多樣的地方品種。
小麥是最大的全球性糧食作物之一。圖為2024年5月,北京一處即將成熟的麥田。新京報記者 周懷宗 攝
然而,僅僅百年,眾多的地方品種就幾乎消失殆盡,中國農科院基因組所研究員程時鋒介紹,全球小麥看似品種非常多,但現(xiàn)代育種中,其攜帶的遺傳資源,在不斷地單一化,“尤其是上世紀六七十年代開始的綠色革命中,主要集中在通過培育和推廣半矮稈稻麥品種,來提高作物適應增加化肥施用量、減少倒伏的能力,提高收獲指數從而顯著提高產量。在這樣的育種中,育種家們更偏好那些控制矮稈和能顯著提高收獲產量的特定基因,會忽略大量的其他可能有益的遺傳變異。最終,遺傳多樣性頻譜越來越單一和狹窄。”
失去多樣性的結果,是農作物生態(tài)更加脆弱,在面對新的全球病蟲害、極端氣候等不利因素時,缺乏有效的抵御能力。
在今天,人類對食物的需求仍在不斷增長,而全球氣候變化帶來的各種極端天氣頻發(fā)、新的病蟲害出現(xiàn)等因素,正在嚴重威脅著全球小麥的生產。“科學家亟須找到一條高效、精準的小麥育種之路,保障糧食安全和發(fā)展可持續(xù)農業(yè)。而追溯作物進化和馴化過程中已形成的遺傳和表型多樣性,解碼和發(fā)現(xiàn)小麥優(yōu)異性狀和變異,是突破小麥育種障礙,培育新一代高產優(yōu)質小麥品種的必然之路?!背虝r鋒說。
輾轉海外,回到故鄉(xiāng)的種子
尋回小麥消失的多樣性,可以讓小麥的遺傳資源更豐富,也讓育種家們有更多的選擇,但這并不容易。
2018至2019年期間,程時鋒和團隊開啟了一項新的攻關,找到那些現(xiàn)代育種中丟失的基因。而要做到這一點,首先要找到那些消失的地方品種。
科研團隊引進的沃氏小麥及全球其他地方品種小麥,在中國種植并落地生根。中國農科院基因組所供圖
在現(xiàn)代栽培種遍及全球的時代,地方品種越來越快地被淘汰,但并不意味著,它們全部都徹底消失在了世界上。事實上,早在上世紀二三十年代,第二次世界大戰(zhàn)開始前,就有科學家著力保存那些消失的地方種,建立資源庫,如當時知名的潘氏小麥、沃氏小麥。程時鋒介紹,潘氏小麥是一批地方品種的總稱,在1930年代,曾被我國的前輩科學家引入中國,但后來逐漸遺失,同時,由于世界性的戰(zhàn)爭沖突,潘氏小麥在英國也消失了,只留下一小部分失去活性的標本。
不過,另外一批地方品種“沃氏小麥”得以保存,為此,程時鋒連續(xù)多次訪問英國,在保存沃氏小麥的科研機構英國約翰·英納斯中心,將沃氏小麥引入中國,“當時引進了上千份優(yōu)異的小麥核心種質資源,其中包含百年前收集于歐洲、亞洲和非洲32個國家的827份地方品種?!?/p>
有趣的是,800多份百年前的地方品種中,有118份收集于中國,是中國傳統(tǒng)的地方品種,他們在海外輾轉百年后,終于又回到了故鄉(xiāng)。
隨后,程時鋒所在的基因組所,聯(lián)合英國約翰·英納斯中心等國內外多家優(yōu)勢單位,開始了對這些珍貴資源的研究?!霸谏镉N、基因鑒定等領域,我國當前已經處于世界第一方陣,科研條件和水平都是比較高的,但英國當地的機構,缺乏研究和鑒定這些珍貴資源的技術能力,所以我們通過聯(lián)合攻關,充分發(fā)揮各自優(yōu)勢,希望能盡快解決育種難題。”程時鋒說。
重回源頭,找到丟失的財富
感謝異地的妥善保存,讓我們找回失去了的珍貴,育種也是如此。
從2019年開始,研究人員將1000多份來自全球各地的小麥資源種植在我國天南地北的科研基地上,和整齊劃一的大田不同,這些小麥各具姿態(tài),高矮粗細各不相同。
種植在實驗基地的沃氏小麥。中國農科院基因組所供圖
在實驗基地,科研人員年復一年地守在田間,鑒定每一株小麥的性狀,何時出苗,怎樣分蘗,節(jié)間距長短,穗粒數多少……
在實驗室里,則通過現(xiàn)代生物學技術,進行多樣性種質資源的遺傳和表型變異圖譜繪制工作,對引進的小麥種質群體基因組信息進行解析,構建全球小麥單倍型圖譜,深度挖掘其潛在的、未被開發(fā)的基因資源和有利變異。結合英國歷史上的表型數據集合,形成了一套史無前例的小麥表型組矩陣。
由于沃氏小麥收集于綠色革命之前,所以具有豐富的遺傳多樣性,具有極高的研究價值。通過與現(xiàn)代品種的比較,科研人員發(fā)現(xiàn),現(xiàn)代小麥品種經過長期的人工定向選擇,僅來自于7個祖先群中的2個,67%以上的遺傳多樣性丟失。
這些優(yōu)異的資源,為何會消失在田間?程時鋒解釋,地方品種在過去被替代,主要和產量較低、抗倒伏性不強等原因有關,一旦遇到產量更高的現(xiàn)代小麥品種,農民往往就會遺棄栽培了多年的當地品種。
眾多地方小麥品種的遺傳庫中,保存著大量珍貴的遺傳資源,它們更適應當地的環(huán)境,有的還保存著異常突出的優(yōu)勢,比如對某種疾病的高抗性。但是地方品種中的優(yōu)異變異,大多數以稀有或低頻方式分散在少數品種中,一些復雜性狀的解析,更是面臨多重技術、科學和經濟上的挑戰(zhàn),使得現(xiàn)代育種中很少使用地方品種。
通過現(xiàn)代生物學技術,找回這些遺傳庫中丟失的基因,只是第一步,更困難的工作還在后面。
設計育種,利用萬年的資源
小麥是異源六倍體,這是一個生物學領域的專業(yè)術語,簡單來說,它有6套基因組,而水稻是2倍體,人類也是2倍體。程時鋒介紹,普通小麥的基因組大小,大約是水稻的40倍、人類的5倍,其基因組和遺傳育種研究極其復雜,在過去一直被稱為作物界的“珠穆朗瑪峰”。
為破解小麥的遺傳密碼,研究團隊與國際合作者一道,提出了一套小麥全基因組設計育種的策略,包括解碼、發(fā)現(xiàn)、設計和最終的實現(xiàn)。
“解碼,就是全面展開多樣性種質資源的遺傳和表型變異圖譜繪制工作,對引進的小麥種質群體基因組信息進行解析,構建全球小麥單倍型圖譜,深度挖掘其潛在的、未被開發(fā)的基因資源和有利變異?!背虝r鋒說,“通過現(xiàn)代生物學技術,去鑒定那些優(yōu)異的遺傳基因,這個工作中,團隊共鑒定出超過8000個遺傳效應位點,并在這些遺傳效應位點中,分析沃氏小麥所攜帶的有利變異。”
找到了遺失的基因,且鑒定出遺失基因中優(yōu)異的部分,接下來,就可以想辦法利用了,“團隊分析了各大性狀之間的相關性,進行了一系列研究。事實上,并不是找到優(yōu)異基因就能開展聚合育種,因為性狀之間存在著千絲萬縷的關系,有的優(yōu)異性狀,可能和某些性狀有負相關性,比如產量高,但籽粒蛋白少,再如粒重變高,粒數卻變少等。這種現(xiàn)象在學術領域,被稱為性狀間的拮抗關系,你想用好的,無意中也可能會帶來壞的。只有深度理解和精準打破這一關系,才能在現(xiàn)代小麥育種中真正利用和聚合那些想要利用的優(yōu)異基因?!背虝r鋒說。
為此,科研團隊開發(fā)了一系列相關的工具,如特定目標性狀的遺傳位點定位、聚合和分子標記輔助檢測工具等,這成了遺失優(yōu)異資源得以利用的基礎。程時鋒介紹,“在這些工具的幫助下,我們和英國合作者的各個團隊一起,將發(fā)現(xiàn)的100余個高質量的沃氏小麥親本所攜帶的特有的有利等位基因片段,通過雜交、回交的方式導入現(xiàn)代品種,形成了700多個單片段替換系,驗證和利用了沃氏小麥在產量、抗病、營養(yǎng)等性狀上,對于現(xiàn)代小麥育種巨大的利用價值,為未來精準智能育種奠定基礎?!?/p>
全球小麥,育種的新時代
“全球小麥可以分為7個祖先群,而現(xiàn)代小麥品種主要來源于其中兩個,這意味著,大量的特有變異,尚未被現(xiàn)代育種所利用,而發(fā)現(xiàn)和鑒定出這些特有變異基因,將極大改變現(xiàn)有品種同質化嚴重的局面,推動小麥領域新質生產力的發(fā)展?!敝袊茖W院院士錢前說。
事實上,在研究中,程時鋒團隊和合作者們,已經發(fā)掘并驗證了多種未被利用的優(yōu)異變異的功能和育種價值,比如挖掘到調控小麥高產、氮高效利用、適應性和營養(yǎng)品質的新基因和關鍵的有利變異位點等。
“沃氏小麥地方品種群體這一寶貴種質資源的引入,將為拓寬我國小麥的遺傳基礎、提高我國小麥的遺傳多樣性奠定堅實的基礎?!敝袊茖W院院士李家洋說。
該論文的審稿人認為,該研究成果是全球小麥科學研究工作的一個重要里程碑,將極大地促進小麥甚至整個作物科學領域的基因組設計育種的步伐。
從資源引進來,到技術走出去,從理論到實踐相結合,國際多方合作的成果,也意味著該成果會更快應用到全球小麥育種中,在未來,被改變的不止是中國小麥的育種進程,更是全球小麥的現(xiàn)代育種之路。
據了解,程時鋒團隊在此前合作的基礎上,正在與歐洲、美國和國際玉米小麥研究中心等開展合作、擴大合作范圍、深化合作內容,先后共同發(fā)起了多項國際合作項目,繼續(xù)加強全球小麥種質資源的引進和本地化,“加強國際合作,既是為現(xiàn)代小麥育種貢獻中國智慧和中國力量,也是持續(xù)為我國小麥育種產業(yè)注入新的血液,服務我國小麥種業(yè)發(fā)展與振興?!背虝r鋒說。