小麥基因組研究現(xiàn)狀與展望

傅向東 劉 倩 李振聲 張愛民 凌宏清 童依平 劉志勇

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 北京 100101

作為世界總產(chǎn)量排名第二的糧食作物，小麥在世界各地被廣泛種植，養(yǎng)活了全球近 40% 的人口。預(yù)計到 2050 年世界人口將增長至 96 億，為了滿足這一未來需求，小麥生產(chǎn)力需要每年增加 1.6%，這必須通過對作物及其性狀的改良來實現(xiàn)。由于普通小麥是異源六倍體，基因組龐大且復(fù)雜（是水稻基因組的 40 倍、人類基因組的 5.5 倍），其功能基因組學(xué)研究遠遠落后于水稻和玉米，復(fù)雜的遺傳背景一直以來也是制約重要農(nóng)藝性狀的基因克隆和分子設(shè)計育種技術(shù)發(fā)展的瓶頸。2005 年，美、法等國科學(xué)家發(fā)起并成立了國際小麥基因組測序聯(lián)盟（International Wheat Genome Sequencing Consortium，IWGSC），組織全世界 20 多個小麥主要生產(chǎn)國的科學(xué)家協(xié)作開展小麥基因組測序。

我國作為世界最大的小麥生產(chǎn)國和消費國，小麥生產(chǎn)對保障國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義，因此小麥的增產(chǎn)和品質(zhì)改良變得尤為重要。然而，產(chǎn)量和品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀都是受多基因和環(huán)境互作影響的復(fù)雜數(shù)量性狀，單純依靠現(xiàn)有常規(guī)育種技術(shù)已經(jīng)難以滿足我國糧食安全和人民日益增長的美好生活需要。因此，加快對小麥基因組和分子遺傳育種的研究勢在必行。

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”（以下簡稱“分子設(shè)計育種先導(dǎo)專項”），提出并建立了從“分子模塊”到“品種設(shè)計”的現(xiàn)代生物技術(shù)育種創(chuàng)新體系，從而快速實現(xiàn)全基因組水平多模塊優(yōu)化組裝并培育新一代超級品種[1]，同時也對我國小麥遺傳學(xué)研究和分子改良育種提供了新的發(fā)展契機。文章將對專項實施期內(nèi)小麥相關(guān)研究成果和未來研究方向的展望進行梳理。

1 小麥基因組研究取得重大突破

普通小麥是一個 AABBDD 的異源六倍體，其形成涉及 3 個原始祖先物種和 2 次天然雜交。大概 50 萬年前，祖先種烏拉爾圖小麥（Triticum urartu）和近緣種山羊草雜交加倍后形成異源四倍體 AABB。大概 8 000—10 000 年前，這個異源四倍體又與野生粗山羊草雜交加倍后才產(chǎn)生了 AABBDD 的異源六倍體，這導(dǎo)致普通小麥的基因組龐大而復(fù)雜。由于水稻和玉米相對簡單的基因組較早被破譯，已經(jīng)使得二者的分子設(shè)計育種理論和技術(shù)日趨完善。鑒于此，高質(zhì)量小麥參考基因組序列圖譜是小麥分子設(shè)計育種研究取得突破性成果的關(guān)鍵。

我國在麥類作物基因組研究方面作出了很多突出貢獻，包括 AA 基因組和 DD 基因組的精細圖譜繪制，以及參與了“中國春”AABBDD 六倍體小麥精細圖譜的部分繪制工作。其中，A 基因組是小麥進化的基礎(chǔ)性基因組，在多倍體小麥進化過程中起著核心作用。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（以下簡稱“遺傳發(fā)育所”）小麥研究團隊利用二代測序技術(shù)對烏拉爾圖小麥進行了全基因組測序，于 2013 年完成了小麥 A 基因組草圖的繪制。注釋出了 34 879 蛋白編碼基因，預(yù)測出了 1.6 萬多個簡單重復(fù)序列（simple sequence repeat，SSRs）、73.9 萬多個插入位點的多態(tài)（insertion sitebased polymorphism，ISBPs）和 340 多萬個單核苷酸多態(tài)（single nucleotide polymorphism，SNP）分子標記，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 Nature 雜志上[2]。之后，團隊成員構(gòu)建了二倍體烏拉爾圖小麥 A 基因組的 BAC 文庫和物理圖譜，通過 BAC-by-BAC 測序，并結(jié)合三代 PacBio 測序和最新基因組物理圖譜構(gòu)建等技術(shù)（10×Genomics，BioNano），完成了小麥 A 基因組的精細圖譜繪制。基因組大小為 4.94 Gb，組裝的 Contig（無N）序列總長為 4.79 Gb（為基因組的 97%），Contig N50 為 344 kb；Scaffold（含 N）序列總長為 4.86 Gb（為基因組的 98.4%），Scaffold N50 為 3.67 Mb。注釋出了 4 1507 個蛋白編碼基因，81.42% 的基因組序列為重復(fù)序列。通過比較基因組學(xué)研究，鑒定出了小麥 A 基因組在進化過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)變異，并演繹出了小麥 A 基因組 7 條染色體的進化模型，為小麥進化分析和基因克隆提供了一個高質(zhì)量的參考基因組。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 2018 年 Nature雜志上[3]。

此外，美國的研究團隊利用經(jīng)典的 BAC-by-BAC 測序結(jié)合 Bionano 和三代測序技術(shù)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院賈繼增團隊采用二代結(jié)合三代測序技術(shù)和 NRgene 組裝技術(shù)，分別繪制完成小麥 D 基因組供體粗山羊草（Aegilopst auschii）的參考基因組精細圖譜，研究結(jié)果分別發(fā)表在 2017 年的 Nature 和 Nature Plant 雜志上[4,5]。與此同時，小麥四倍體祖先種野生二粒小麥（Triticum dicoccoides）的 AABB 基因組序列解析結(jié)果發(fā)表在 Science 雜志上[6]。尤其重要的是，國際水稻測序聯(lián)盟采用流式細胞儀分離技術(shù)將普通小麥“中國春”（Chinese Spring，CS）的染色體進行分離，利用二代測序和 NRgene 組裝技術(shù)分染色體解析注釋了 CS 的參考基因組序列并公開釋放（RefSeq-v1.0）[7]。這應(yīng)該是目前小麥染色體級別組裝最好的版本。

截至 2018 年 8 月，六倍體小麥及其親緣種 AA、DD、AABB 和 AABBDD 的精細基因組序列圖譜均已繪制完成，這為小麥的功能基因組學(xué)、比較基因組學(xué)和進化基因組學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)；尤其在全基因組水平上認識小麥的起源、馴化、人工選擇以及重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳和表觀遺傳調(diào)控機制，挖掘優(yōu)異等位基因并利用于育種，對保障我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2 成功實踐“模塊耦合育種”理論

“分子模塊耦合育種”理論的提出是分子設(shè)計育種先導(dǎo)專項的理論創(chuàng)新，經(jīng)過多年的攻堅努力，目前該理論在小麥育種領(lǐng)域已經(jīng)得到實踐驗證，成績斐然。西南地區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)之一，也是小麥條銹病的主要發(fā)源地。培育抗條銹病小麥新品種是對于從源頭上防治我國小麥病害尤為重要。在“多模塊耦合育種”理論的指導(dǎo)下，中國科學(xué)院成都生物研究所小麥研究團隊通過耦合抗條銹病分子模塊 Yr7 和 Yr17、無芒性狀分子模塊 Xgwm291 和矮稈分子模塊 Rht-D1b 育成了抗倒、抗病、優(yōu)質(zhì)、無芒、適宜機械化收割的小麥新品種“川育 25”。通過耦合大粒分子模塊 QTkw.saas-5B 和抗條銹病分子模塊 YrCH42 育成的高產(chǎn)抗病品種中“科麥 138”，是四川省近 10 年來唯一一個在區(qū)試和生產(chǎn)試驗中產(chǎn)量提高均超過 10% 的突破性新品種，被列為 2016 年四川省主導(dǎo)小麥品種。通過導(dǎo)入糯性分子模塊（Wx-A1b、Wx-B1b 和 Wx-D1b）和低 PPO 分子模塊Ppo2A1b/Ppo2D 1a 育成的全糯專用優(yōu)質(zhì)小麥品種“中科糯麥1號”，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病等多個優(yōu)良性狀的有機結(jié)合，在食品加工與釀酒領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。截至 2018 年，這 3 個模塊新品種累計推廣面積已達 158 萬畝，對我國西南地區(qū)小麥新品種升級換代起到了引領(lǐng)作用。

3 解析耐鹽、耐旱分子模塊

我國環(huán)渤海地區(qū)擁有 4 000 多萬畝中低產(chǎn)田和 1 000 多萬畝鹽堿荒地，長期遭受旱、澇、堿災(zāi)害。培育抗旱、抗鹽堿的小麥新品種對于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的增產(chǎn)和增收尤為重要。2017 年遺傳發(fā)育所培育的“小偃 60”通過了河北省農(nóng)作物品種委員會審定（冀審麥 2016030 號）。滄州的運東地區(qū)（運河以東地區(qū)）是土壤鹽堿程度較為嚴重地區(qū)，截至 2018 年，“小偃 60”在該地區(qū)的累積示范推廣面積已達 21 000 畝。通過構(gòu)建“中麥 175”與“小偃 60”的重組自交系群體，利用小麥 55K SNP 芯片構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，并結(jié)合苗期和大田成株期耐鹽相關(guān)表型的調(diào)查數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)定位到耐鹽相關(guān)的數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）數(shù)十個。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，“小偃 60 ”可能通過調(diào)節(jié)光合作用和茉莉酸信號通路增強自身的耐鹽、耐旱性。

4 研究展望

4.1 小麥全基因組測序和關(guān)聯(lián)分析

現(xiàn)有測序數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，六倍體小麥與二倍體、四倍體小麥基因組非常相似，說明多倍體形成之后的基因損失是有限的。不過小麥基因組的一個特點是含有大量的重復(fù)序列，而且這些序列高度相似又不完全相同。因此，精確定位和分離小麥基因及轉(zhuǎn)錄本的難度還是挺大的。目前，長片段三代測序技術(shù)日益普遍，這無疑為小麥基因組和轉(zhuǎn)錄組的測序提供了便利。期望后續(xù)測序技術(shù)的變革和分析方法的改進可以進一步補充完善現(xiàn)有普通小麥基因組精細圖譜，或是完成更多小麥品種的基因組組裝和注釋。

在小麥參考基因組序列圖譜繪制方面，我國科學(xué)家已經(jīng)走在了前列，并為我國小麥功能基因組學(xué)研究搭建了良好的平臺。此外，伴隨測序成本的不斷降低，預(yù)期未來幾年內(nèi)小麥全基因組重測序和關(guān)聯(lián)分析研究會成為重要的發(fā)展方向。譬如，利用小麥近緣種、農(nóng)家種、主栽品種及其遠緣雜交所構(gòu)建的易位系、附加系、代換系，以及飽和突變體庫等材料進行全基因組重測序，重點開展小麥及其親緣種復(fù)雜性狀的基因組學(xué)、表觀基因組學(xué)、比較基因組學(xué)和進化基因組研究，在全基因組水平上揭示小麥起源與馴化的歷史，以及多倍體、二倍化的遺傳與表觀遺傳學(xué)機制，解析小麥重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘并利用優(yōu)異等位基因。此外，野生種質(zhì)資源研究已經(jīng)從野生資源的收集、保存轉(zhuǎn)向深入研究和利用，通過遺傳群體構(gòu)建或是多種質(zhì)資源的深度重測序，充分利用和挖掘野生遺傳資源將有利于改良現(xiàn)有作物品種。

4.2 表型分析平臺建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新

我國現(xiàn)有小麥種質(zhì)資源豐富，構(gòu)建的遺傳群體數(shù)目龐大，用于表型鑒定花費的人力物力不計其數(shù)。如何快速準確地獲得小麥單株或品系的表型數(shù)據(jù)，一直是育種家和研究者面臨的困境。表型分析平臺就是新興的、可以進行種質(zhì)資源表型研究和精準鑒定的大型科學(xué)裝置或設(shè)施。遺傳發(fā)育所的攻關(guān)團隊針對作物株型和穗型等三維構(gòu)象，利用高分辨激光/軟射線成像系統(tǒng)、高精度圖像解析與重建等方法和技術(shù)，搭建了水稻、小麥等品系株型和穗型的表型分析平臺。此外，無人機搭載高清攝像機或紅外儀等，通過遙感技術(shù)實現(xiàn)對大范圍田間作物的表型采集工作，已在陸續(xù)開展。這些新技術(shù)、新方法的推廣應(yīng)用將進一步推動種質(zhì)資源的利用和品種的選育過程。

4.3 小麥功能基因組研究

當(dāng)前，功能基因組學(xué)已成為目前生命科學(xué)的競爭熱點與重點發(fā)展方向。隨著人類基因組、模式動植物基因組等測序工作的相繼完成，生命科學(xué)已從整體上進入以功能基因組學(xué)研究為核心的后測序時代，世界各國對各種后測序基因組計劃高度重視。例如，歐美等發(fā)達國家和地區(qū)先后啟動了多個物種的 ENCODE 計劃和四維細胞核組學(xué)項目。但是，我國在復(fù)雜多倍體基因組及其功能基因組學(xué)領(lǐng)域還處于跟蹤與追趕階段。多倍體小麥參考基因組的問世，為我們提供了很好的契機。如何借鑒模式植物擬南芥和水稻功能基因組研究的成功經(jīng)驗，結(jié)合小麥基因組的自身特點，開發(fā)一套適合小麥突變體的快速圖位克隆技術(shù)，應(yīng)該是小麥研究人員共同面臨的一個課題。

Mut-Map 是利用野生型和突變體構(gòu)建的分離群體進行測序并快速定位功能基因的成熟技術(shù)。鑒于小麥巨大基因組和昂貴的測序成本，科研人員可以同時借助轉(zhuǎn)錄組測序、捕獲測序、RNA-Seq 和重測序等多重手段幫助實現(xiàn)小麥功能基因的快速定位。BSR-Seq 技術(shù)就是融合集群分離分析（bulked segregant analysis，BSA）和 RNA-seq 分析，可以實現(xiàn)小麥基因快速定位的一種方法[8]。

4.4 基因編輯技術(shù)

基因編輯技術(shù)是利用人工核酸酶對基因組進行靶向修飾的遺傳工程技術(shù)，是當(dāng)今生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。遺傳發(fā)育所高彩霞團隊一直致力于作物基因組編輯方法的研究和應(yīng)用。2014 年，該團隊首先利用 TALEN 技術(shù)敲除小麥 MLO 基因?qū)崿F(xiàn)對白粉病的廣譜抗性[9]。CRISPR/Cas9 基因編輯系統(tǒng)由于設(shè)計簡便及高效的特點，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的基因編輯技術(shù)。之后，該團隊又率先在小麥、水稻和玉米三大重要農(nóng)作物成功實現(xiàn)了單堿基編輯技術(shù)并運用到性狀改良上[10]。此外，通過將 CRISPR/Cas9 蛋白和 gRNA 在體外組裝成核糖核蛋白復(fù)合體（RNP），再利用基因槍法進行轉(zhuǎn)化和定點編輯，該團隊已在小麥中成功建立了全程無外源 DNA 的基因組編輯體系[11]。這種 DNA-free 的基因編輯技術(shù)具有精準、特異、簡單易行、成本低廉的優(yōu)勢，并且有助于最大程度的減少監(jiān)管，建立起精準、生物安全的新一代育種技術(shù)體系，加快作物基因組編輯育種產(chǎn)業(yè)化進程。

4.5 芯片開發(fā)及輔助育種

長期以來，局限于小麥功能基因的數(shù)量和注釋信息太少，分子輔助育種技術(shù)一直無法推廣；伴隨基因組測序和基因克隆技術(shù)的發(fā)展，相信會有越來越多的小麥功能基因被克隆和應(yīng)用到分子育種實踐中。近年來，小麥 SNP 芯片的開發(fā)和應(yīng)用更為普及，多個國內(nèi)單位和公司合作開發(fā)的新芯片相繼推出。這些 SNP 檢測技術(shù)將為小麥全基因組關(guān)聯(lián)分析、重要基因/QTL 連鎖定位以及育種親本及后代材料的分子檢測提供重要的技術(shù)支撐。已有文章報道，利用 Illumina Infinium iSelect 90K SNP 芯片技術(shù)結(jié)合 BSA 集群分離分析法可以實現(xiàn)對大規(guī)模的小麥新品系或品種中抗白粉病基因的定位[12]。

此外，育種芯片的開發(fā)和應(yīng)用極大提高了高通量篩選鑒定后代群體的效率。小麥傳統(tǒng)常規(guī)育種一般依靠品種間雜交，因此導(dǎo)致遺傳多樣性的喪失。植物細胞與染色體工程國家重點實驗室在李振聲院士的帶領(lǐng)下，長期致力于小麥遠緣雜交和染色體工程育種研究，成功將偃麥草的染色體組、染色體、染色體片段導(dǎo)入小麥，育成小偃麥八倍體、異附加系、異代換系和易位系等雜種新類型，以及“小偃 6 號”等高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣譜抗病小麥品種。但是，小麥遠緣雜交育種研究一直以來還局限于在細胞遺傳學(xué)水平上。借助于基因組測序技術(shù)和育種芯片的開發(fā)，相信會更快地推動小麥遠緣雜交品種的選育進程。