普通小麥相關(guān)研究進(jìn)展在遺傳學(xué)理論教學(xué)中的應(yīng)用

趙娜，亓寶，董芊里，王曉麗

遺傳學(xué)教學(xué)

普通小麥相關(guān)研究進(jìn)展在遺傳學(xué)理論教學(xué)中的應(yīng)用

趙娜1，亓寶2，董芊里3，王曉麗1

1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長春 130118 2. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)植保學(xué)院，長春 130118 3. 東北師范大學(xué)分子表觀遺傳學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130024

普通小麥(L.)又稱異源六倍體小麥，其基因組是由來自3個(gè)不同二倍體祖先且親緣關(guān)系較近的基因組(A、B和D)構(gòu)成。普通小麥的進(jìn)化歷程一直是遺傳學(xué)教學(xué)中闡述物種形成和染色體數(shù)目變異機(jī)制的經(jīng)典案例。近年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，普通小麥的相關(guān)研究在細(xì)胞學(xué)水平、分子水平、基因組水平均取得了重大突破和進(jìn)展。本文對普通小麥最新研究成果進(jìn)行了梳理和總結(jié)，將相關(guān)前沿科學(xué)內(nèi)容與遺傳學(xué)各章節(jié)的理論教學(xué)相結(jié)合，并應(yīng)用于遺傳學(xué)的理論教學(xué)中。這不僅是對經(jīng)典遺傳學(xué)教材內(nèi)容的補(bǔ)充和發(fā)展，同時(shí)也能夠讓學(xué)生認(rèn)識到遺傳學(xué)是一門不斷發(fā)展的自然科學(xué)，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對遺傳學(xué)基本內(nèi)容和前沿科學(xué)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

遺傳學(xué)；理論教學(xué)；普通小麥；異源多倍體

遺傳學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展的學(xué)科之一，也是高等院校生命學(xué)科相關(guān)專業(yè)必修的重要基礎(chǔ)課程。自1900年誕生至今，遺傳學(xué)經(jīng)歷了多個(gè)重要的發(fā)展階段，特別是1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的破解使得遺傳學(xué)研究迅速進(jìn)入分子水平，各種新概念和新技術(shù)被提出和應(yīng)用。近年來基因組測序技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，促使遺傳學(xué)研究進(jìn)入了基因組層面。為了使遺傳學(xué)教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，本文對普通小麥的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理和總結(jié)，分別在基因組、染色體和基因等不同層面上解析普通小麥的遺傳規(guī)律，并將其在遺傳學(xué)不同章節(jié)理論教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述(表1)。

1 在物種形成與進(jìn)化章節(jié)中的應(yīng)用

在本章節(jié)的導(dǎo)課中，每當(dāng)提到多倍體物種的形成，同學(xué)們的回答通常是利用秋水仙素抑制細(xì)胞的有絲分裂，促使細(xì)胞內(nèi)染色體加倍形成多倍體；或是通過雜交的方法培育同源三倍體無籽西瓜。同學(xué)們似乎忽視了在自然環(huán)境中多倍體物種的形成方式。事實(shí)上，多倍體植物在自然界的存在極具普遍性。在被子植物中，約有80%的物種在進(jìn)化過程中經(jīng)歷過一次或多次基因組加倍過程，基因組多倍化的發(fā)生是自然界中大部分被子植物形成及進(jìn)化過程中所經(jīng)歷的重要途經(jīng)[41]。其中，重要糧食作物普通小麥(L.)的形成與進(jìn)化恰好是展現(xiàn)自然環(huán)境中多倍體物種形成的典型案例。

普通小麥?zhǔn)且粋€(gè)異源六倍體植物，基因組構(gòu)成為AABBDD。遺傳學(xué)教材介紹了普通小麥在形成過程中經(jīng)歷了兩次異源多倍化事件：第一次發(fā)生在距今大約40萬前[1]，由二倍體的烏拉爾圖小麥()(AA)和二倍體的擬斯卑爾托山羊草()(BB)雜交加倍形成了異源四倍體圓錐小麥()(AABB)[2]；另一次發(fā)生在距今約8000~10,000年前，馴化后的異源四倍體小麥與二倍體粗山羊草()(DD)再次發(fā)生雜交加倍事件形成異源六倍體小麥，即普通小麥(AABBDD)[3](圖1a)。

近幾年，人們在小麥屬基因組方面的研究有了新突破，為普通小麥的起源及進(jìn)化歷程提出了新觀點(diǎn)[4]。通過普通小麥與近緣二倍體小麥物種基因組間的序列比對，研究人員重新闡述了小麥屬A、B和D三個(gè)亞基因組之間的進(jìn)化關(guān)系，提出二倍體小麥的A基因組和B基因組在距今約6.5個(gè)百萬年前發(fā)生分化，在約5.5個(gè)百萬年前發(fā)生第一次雜交并形成二倍體小麥的D基因組[4](圖1b)。同時(shí)對普通小麥的形成與進(jìn)化時(shí)間給與重新定義：烏拉爾圖小麥(AA)與擬斯卑爾托山羊草(BB)在距今約0.82百萬年內(nèi)發(fā)生雜交加倍形成野生二粒小麥(AABB)。經(jīng)過馴化的栽培四倍體小麥(AABB)與粗山羊草(DD)在距今0.43百萬年內(nèi)經(jīng)歷雜交加倍形成普通學(xué)小麥(AABBDD)[4]。上述研究結(jié)論重新界定了普通小麥A、B、D亞基因組的系統(tǒng)發(fā)生史和分化時(shí)間。通過圖1的展示，使學(xué)生們清晰的理解普通小麥形成與進(jìn)化歷程。同時(shí)，突出強(qiáng)調(diào)“基因組加倍”可以克服遠(yuǎn)緣雜交導(dǎo)致的不孕性和不育性，使雜交后代F1能夠正常的進(jìn)行減數(shù)分裂，形成可育后代。人類已將“雜交”和“基因組加倍”技術(shù)應(yīng)用到了糧食作物、蔬菜、水果的育種改良中，為人們創(chuàng)造了極其豐富的生活物資?；谏鲜鲋v解，向?qū)W生布置相關(guān)設(shè)計(jì)類作業(yè)題目，在強(qiáng)化知識點(diǎn)理解的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的遺傳學(xué)理論知識解決生活中的實(shí)際問題。同時(shí)，拓展講解當(dāng)前基因組學(xué)、生物信息學(xué)分析方法在物種的形成與進(jìn)化研究中的應(yīng)用，更重要的是鼓勵(lì)學(xué)生敢于用新技術(shù)去解釋舊問題，并富于敢于質(zhì)疑和探索的學(xué)習(xí)精神。普通小麥形成與進(jìn)化歷程的重新界定也是對現(xiàn)有遺傳學(xué)教材內(nèi)容的補(bǔ)充和發(fā)展。

表1 普通小麥相關(guān)研究案例在遺傳學(xué)理論教學(xué)中的應(yīng)用框架

圖1 普通小麥形成與進(jìn)化歷程新舊觀點(diǎn)對比

a：舊觀點(diǎn)；b：新觀點(diǎn)。

2 在染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)變異章節(jié)中的應(yīng)用

染色體核型分析技術(shù)，是細(xì)胞遺傳學(xué)研究的基本方法，是當(dāng)前高校遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生必須掌握的實(shí)驗(yàn)技能之一，在動(dòng)植物育種、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢測等方面應(yīng)用十分廣泛。常用的核型分析技術(shù)包括各類顯帶技術(shù)(G帶、Q帶、C帶等)、熒光原位雜交(fluorescencehybridization，F(xiàn)ISH)技術(shù)等。同學(xué)們可以在顯微鏡下觀察到諸如：染色體的長度、粗細(xì)；著絲粒(主縊痕)的位置；隨體及次縊痕的有無、數(shù)目、位置；以及由于溫度和藥品處理所產(chǎn)生的染色體分帶等相關(guān)信息[42]，用于對細(xì)胞內(nèi)的所有染色體的形態(tài)特征進(jìn)行觀察分析。本文中，我們將FISH在普通小麥染色體分型、易位系鑒定等方面的應(yīng)用進(jìn)行整理，作為“染色體數(shù)目變異”和“染色體結(jié)構(gòu)變異”兩個(gè)章節(jié)理論教學(xué)的拓展內(nèi)容。

2.1 小麥染色體分型

在針對植物多倍體的研究中，基因組原位雜交(genomehybridization，GISH)技術(shù)和FISH技術(shù)成為了探索多倍體祖先基因組來源、確定種間進(jìn)化關(guān)系以及分析基因組間雜交漸滲的重要手段[5]。近年來，劉寶教授課題組利用人工合成異源多倍體小麥，對早期核型穩(wěn)定性對異源四倍體和六倍體小麥物染色體進(jìn)化與物種形成的關(guān)系進(jìn)行研究。通過FISH與GISH相結(jié)合的方法，不僅可以對普通小麥的3個(gè)亞基因組A、B和D中的21條染色體進(jìn)行精確區(qū)分[6]，也可對染色體水平發(fā)生的數(shù)目和結(jié)構(gòu)變異進(jìn)行精準(zhǔn)識別[7]。通過對大量不同基因組構(gòu)成的人工合成異源四倍體小麥單株(基因型為SlSlAA、SbSbDD、AADD，因基因組為BB的二倍體親本現(xiàn)已滅絕，采用與B基因組最相近的S基因組二倍體親本代替)進(jìn)行精準(zhǔn)染色體核型的分子細(xì)胞遺傳學(xué)鑒定。在染色體水平上，觀察到在異源四倍體小麥SlSlAA中僅發(fā)生了部分重復(fù)DNA序列和同源基因的拷貝數(shù)的變化，而其他兩個(gè)基因型無論是在染色體數(shù)目還是染色體結(jié)構(gòu)上均發(fā)生了很大的變化。上述研究結(jié)果為理解自然壞境下野生異源四倍體小麥僅有AABB的基因組構(gòu)成模式提供細(xì)胞學(xué)證據(jù)[7]。

2.2 小麥易位系鑒定

1BL·1RS易位系是小麥品種改良中的經(jīng)典案例。通過遠(yuǎn)緣雜交，黑麥的1RS染色體短臂被導(dǎo)入小麥基因組中，形成1BL·1RS易位系。由于1RS染色體上攜帶有抗條銹病()、葉銹病()、白粉病()等抗性基因，以及提高產(chǎn)量和增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的基因[8,9]，因此1BL·1RS易位系在小麥抗病、抗逆和產(chǎn)量等方面均體現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用[10,11]。21世紀(jì)初，在我國育成的小麥品種中，約有40%含有1BL·1RS易位系[12]。Schlegel[13]對全世界2470個(gè)小麥品種和試驗(yàn)品系調(diào)查顯示，所有小麥材料中都帶有外來基因，其中15%商業(yè)品種中攜帶黑麥1RS染色體。那么，針對國內(nèi)外眾多小麥品種，能夠快速準(zhǔn)確的對基因組中是否含有1RS易位染色體片段進(jìn)行鑒定，對小麥品種的進(jìn)一步改良具有重要意義。FISH技術(shù)可以快速證實(shí)小穗小麥種質(zhì)10-A是小麥–黑麥1BL·1RS易位系[14]，也可以在小麥品系與黑麥雜交的后代中快速篩選出含有1BL·1RS的易位系用于育種研究[15]。FISH技術(shù)亦可在染色體起源進(jìn)化研究中提供了最直接的證據(jù)，在關(guān)于小麥4A/5A染色體易位的研究中，分布在二倍體小麥() 4A染色體上的Acc-2探針在5A染色體上也存在雜交信號，證實(shí)了4A與5A染色體間的易位，同時(shí)在一些近緣二倍體和多倍體小麥物種中雜交信號的存在，表明它們起源于同一個(gè)A基因組的祖先種[16]。

上述案例表明，F(xiàn)ISH為研究染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)變異研究提供了高效且可靠的分析平臺，大大提升了細(xì)胞學(xué)觀察的分辨率和應(yīng)用范圍，使得人們對普通小麥乃至其他物種進(jìn)行相對精準(zhǔn)的細(xì)胞學(xué)研究成為可能，在研究物種進(jìn)化、作物遺傳育種等多方面領(lǐng)域提供可靠的技術(shù)支持。在當(dāng)前大部分高校關(guān)于“染色體結(jié)構(gòu)變異”這個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生僅能通過減數(shù)分裂過程中同源染色體聯(lián)會(huì)時(shí)是否會(huì)形成各種形態(tài)的“異構(gòu)體”來判定染色體水平上的變異，例如：缺失、重復(fù)、倒位雜合體都會(huì)形成“圈”型染色體構(gòu)態(tài)，易位雜合體可能會(huì)出現(xiàn)“十字形”、“8字形”等染色體異構(gòu)體[42]，但對于發(fā)生在染色體的具體位置和所參與的基因卻無法準(zhǔn)確判斷。FISH技術(shù)能夠解決上述問題，但是由于該技術(shù)耗材費(fèi)用昂貴、技術(shù)細(xì)節(jié)精細(xì)、試驗(yàn)周期長，目前在高校本科開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程微乎其微。在我校的課程設(shè)置中，將在線實(shí)驗(yàn)課程觀看與部分可行性實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，有效地開展FISH技術(shù)等有難度的實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生廣泛了解高新技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用，掌握相關(guān)技術(shù)原理和操作要領(lǐng)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對自然科學(xué)研究的興趣。

3 在基因突變章節(jié)中的應(yīng)用

基因突變是DNA分子中發(fā)生堿基對的替換、增添和缺失而引起的基因結(jié)構(gòu)的改變。自然界中，基因突變普遍發(fā)生，是導(dǎo)致生物變異、構(gòu)成生物多樣性的重要原因，更是推動(dòng)生物進(jìn)化的動(dòng)力之一。普通小麥從野生二倍體經(jīng)歷馴化選擇至今，成為全世界范圍重要的糧食作物，不僅經(jīng)歷了染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的變異，也發(fā)生了很多關(guān)鍵的基因突變事件。本文通過對小麥馴化史上兩個(gè)重要的基因突變的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，幫助學(xué)生了解植物的天然突變在人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生思考如何開發(fā)和利用大量潛在的、有價(jià)值的基因資源，造福人類未來。

3.1 株高

株高是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，半矮稈基因的發(fā)現(xiàn)和利用大幅度提升了世界小麥產(chǎn)量。首次將該基因引入小麥栽培種的美國科學(xué)家Norman Ernest Borlaug終其一生推動(dòng)了舉世聞名的“綠色革命”，為解決世界糧食問題、克服全球饑荒做出了巨大貢獻(xiàn)。1999年，Peng等[17]首次克隆了小麥的半矮稈基因/，研究發(fā)現(xiàn)DELLA蛋白N端個(gè)別氨基酸的改變降低了與生長激素赤霉素受體蛋白GID的結(jié)合能力，從而降低了細(xì)胞核對赤霉素的敏感度，導(dǎo)致植株的矮化。自綠色革命以來，矮稈基因的研究和利用被越來越多的遺傳學(xué)家和育種專家所重視，人們相繼鑒定出主效半矮稈基因20余個(gè)[18]，但真正用于育種和生產(chǎn)的并不多，育種學(xué)家僅對/進(jìn)行了較強(qiáng)的選擇和應(yīng)用。在我國主產(chǎn)區(qū)的小麥品種中，約有24.3%攜帶，46.9%攜帶[19]。矮化育種在小麥生產(chǎn)應(yīng)用中的作用是顯而易見的，但也暴露出一定的弊端，/雖然帶來了抗倒伏的矮化表型，但同時(shí)也降低了小麥對土壤中氮素的利用效率。為了維持抗倒伏高產(chǎn)小麥對氮素的需求，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥的施用量大幅增加，直接導(dǎo)致環(huán)境污染。因此，協(xié)同改良半矮化小麥的高產(chǎn)與氮肥高效利用性狀才是解決問題的關(guān)鍵[20]。近期，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東課題組在水稻的相關(guān)研究中有了重要突破：生長調(diào)節(jié)因子(growth regula-ting factor 4)較高水平的表達(dá)不僅可以提高半矮桿水稻品種的氮素利用效率，同時(shí)也維持了半矮桿性狀賦予的抗倒伏和高產(chǎn)的特性[21]。該研究為矮桿小麥的育種改良指明了目標(biāo)和方向。

3.2 落粒性

落粒性是谷類作物另一個(gè)非常重要的性狀，也是馴化研究的典型性狀之一。野生小麥成熟后，穗軸會(huì)變脆，完整的穗會(huì)斷裂成小穗，在風(fēng)力作用下四處播散，有利于下一代的繁殖生長，但從人類農(nóng)耕生產(chǎn)角度來講，卻是一個(gè)缺點(diǎn)。在大約1萬年前，小麥起源地的居民就開始對穗軸不易斷裂的突變個(gè)體進(jìn)行選擇，培育出易于收割的、具有落?？剐缘男←溒贩N。2017年，伴隨著小麥全基因組測序結(jié)果的逐漸完善，小麥落粒性的分子機(jī)制得到了進(jìn)一步解析。以色列特拉維夫大學(xué)Distelfeld研究團(tuán)隊(duì)[22]對普通小麥的異源四倍體祖先–野生二粒小麥進(jìn)行基因組測序、組裝。將其與馴化品種進(jìn)行基因比對分析，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致穗軸易斷裂的兩個(gè)關(guān)鍵基因和，二者突變導(dǎo)致穗軸斷裂功能的喪失，使得破碎的麥穗轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰酌撀涞柠溗?，達(dá)到了利于農(nóng)民收割的目的，直接提高了小麥的收益。

植株矮化和抗落粒性狀是小麥馴化過程中人類對其自發(fā)突變進(jìn)行選擇和利用的兩個(gè)經(jīng)典案例。應(yīng)用于教學(xué)之中，有助于學(xué)生深刻理解基因突變在物種馴化及品種形成過程中所扮演的重要角色和意義。

4 在表觀遺傳學(xué)章節(jié)中的應(yīng)用

表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是指在DNA序列不發(fā)生改變的情況下，因DNA甲基化、蛋白質(zhì)的共價(jià)修飾、染色質(zhì)重塑、非編碼RNA調(diào)控等的修飾作用導(dǎo)致生物的性狀產(chǎn)生可遺傳的變異。該學(xué)科興起于20世紀(jì)末，是遺傳學(xué)發(fā)展最快的重要分支，部分經(jīng)典遺傳學(xué)教材中尚未列入此章節(jié)內(nèi)容。因此，在教學(xué)中，我們以專題系列講座的形式向?qū)W生介紹表觀遺傳學(xué)的前沿與發(fā)展。普通小麥復(fù)雜的基因組構(gòu)成為表觀遺傳學(xué)研究提供了很多獨(dú)特的研究案例。在本文中，我們主要針對普通小麥中DNA甲基化的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，提出兩個(gè)適用于本科理論教學(xué)的表觀遺傳學(xué)案例。

4.1 DNA甲基化修飾對小麥部分同源等位基因功能的影響

普通小麥A、B、D基因組的4號染色體上存在3對部分同源等位基因(:、和)，它們行使著相同的基因功能，其中位于A基因組上的因?yàn)橐粋€(gè)較大DNA片段的插入導(dǎo)致其基因結(jié)構(gòu)發(fā)生變異而喪失功能，位于B基因組的雖與-序列相似，但因受到高密度的胞嘧啶甲基化修飾導(dǎo)致其在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生沉默而喪失基因功能，僅有行使正常的基因功能[23]，維持普通小麥的正常生存和繁衍。通過此案例，學(xué)生們對表觀遺傳學(xué)一個(gè)重要的研究內(nèi)容—“DNA甲基化”有了初步認(rèn)知，了解到DNA甲基化是真核基因組中普遍存在的、能夠遺傳的化學(xué)修飾方式之一，往往通過對基因啟動(dòng)子區(qū)的修飾來抑制轉(zhuǎn)錄，參與基因表達(dá)調(diào)控過程。這個(gè)案例也從另一個(gè)角度體現(xiàn)了多倍體植物在應(yīng)對遺傳變異和表觀遺傳修飾等原因造成的部分同源等位基因功能喪失時(shí)的“防護(hù)”功能[42]。相對于二倍體或單倍體，普通小麥以更多的基因組構(gòu)成為應(yīng)對變異帶來的損傷起到了一定的緩沖作用。

4.2 DNA甲基化修飾的調(diào)控與小麥新品種選育

乳糜瀉疾病(celiac disease)，是一種對小麥等麥類作物籽粒中的麥谷蛋白和麥醇溶蛋白產(chǎn)生不良反應(yīng)的腸道疾病。在西方國家，約有1%的人口患有此病。對于患者來說，安全的飲食策略就是杜絕食物中含有麥類蛋白成分，這給患者的生活帶來諸多不便。科研人員從多角度針對這一難題展開研究，策略之一就是通過調(diào)控DNA甲基化的修飾程度實(shí)現(xiàn)低(或無)麥類蛋白的小麥品種的培育，為乳糜瀉疾病的患者帶來安全和便利。研究發(fā)現(xiàn)，麥谷蛋白基因和醇溶蛋白基因在小麥的胚乳中特異性高表達(dá)，源于5-甲基胞嘧啶DNA糖基化酶DEMETER(DME，去甲基化酶)的表達(dá)使兩類基因處于較低水平的甲基化修飾狀態(tài)[24]。鑒于此，研究人員通過RNAi的方法對發(fā)育過程中小麥胚乳的基因進(jìn)行特異性的表達(dá)沉默，間接導(dǎo)致麥谷蛋白基因和麥醇溶蛋白基因處于高度甲基化狀態(tài)[23]，降低小麥種子中麥谷蛋白和麥醇溶蛋白的表達(dá)和積累，為育成乳糜瀉患者可食用的小麥品種奠定了研究基礎(chǔ)。上述研究屬于用表觀遺傳理論指導(dǎo)作物遺傳育種的一個(gè)典型案例。

5 在基因組學(xué)章節(jié)中的應(yīng)用

2000年，人類基因組測序的完成將遺傳學(xué)帶入到了基因組時(shí)代。而今，基因組學(xué)已經(jīng)成為遺傳學(xué)的重要組成部分，具備基因組學(xué)知識并掌握相關(guān)分析技術(shù)已成為目前從事生命科學(xué)領(lǐng)域研究型人才的基本要求。那么，如何加強(qiáng)基因組學(xué)課程的建設(shè)與完善，培養(yǎng)出符合時(shí)代需求的科技人才成為當(dāng)前高等院校迫切要解決的問題。在遺傳學(xué)課程中，基因組學(xué)作為一個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，課時(shí)有限，但信息量大，難點(diǎn)多。如何在有限的時(shí)間內(nèi)，使學(xué)生迅速燃起對基因組學(xué)的熱情，并理解基因組學(xué)的主要研究內(nèi)容、熟悉基本分析方法，為將來更深入的學(xué)習(xí)基因組學(xué)奠定好基礎(chǔ)，是遺傳學(xué)教學(xué)過程中需要充分設(shè)計(jì)和思考的問題。在教學(xué)中，我們以普通小麥基因組測序的過程為案例之一，開啟學(xué)生對基因組學(xué)的認(rèn)知大門。

5.1 普通小麥基因組測序

與遺傳學(xué)研究中經(jīng)典模式植物擬南芥()不同，普通小麥因其具有龐大的基因組，測序工作曾被認(rèn)為是“不可能完成的任務(wù)”。普通小麥的3個(gè)亞基因組中共有21條染色體，總基因組量約為17 Gb，約為玉米()的7倍、水稻()的37倍、擬南芥的148倍。那么全世界科學(xué)家是如何攻克難關(guān)在小麥基因組測序上取得突破和進(jìn)展的呢？在歷時(shí)13年的時(shí)間里，由國際小麥基因組測序聯(lián)盟(International Wheat Genome Se-quencing Consortium, IWGSC, http://www.wheatge-nome.org/)領(lǐng)導(dǎo)，全球20多個(gè)國家70多個(gè)研究機(jī)構(gòu)約200名科學(xué)家共同參與并完成了這一世界性難題。

普通小麥基因組測序之難，主要是由于它的六倍體基因組構(gòu)成。在普通小麥的基因組中，每個(gè)功能基因都在A、B、D三個(gè)基因組上存在相同或相似功能的部分同源等位基因，它們在序列上具有很高的相似性。如何準(zhǔn)確分辨某段DNA序列的基因組歸屬問題，成為序列拼裝的難題之一。另外，普通小麥基因組含有大量的重復(fù)非編碼DNA (repetitive non-coding DNA)，約占總基因組序列的85%~90%[25]，在3個(gè)亞基因組中，這些重復(fù)序列在A、B、D三個(gè)部分同源染色體上的排列順序也都有所不同，使基因組組裝工作變得更加復(fù)雜。

基于上述難題，在小麥基因組測序之初，捷克科學(xué)家Jaroslav Dolezel教授利用流式細(xì)胞儀分離技術(shù)，將普通小麥(中國春)的21條染色體進(jìn)行了分離，以單條染色體(臂)為測序單位，排除了3個(gè)亞基因組間部分同源染色體相似性帶來的困擾，分別構(gòu)建BAC文庫，后續(xù)物理圖譜構(gòu)建和基于BAC by BAC測序工作則由IWGSC的成員國共同分擔(dān)完成[26]。隨著高通量測序技術(shù)的出現(xiàn)和推廣，在很大程度上加快了小麥基因組測序的速度。2012年，英國利物浦大學(xué)Neil Hall教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用全基因組鳥槍法測序技術(shù)，對中國春進(jìn)行了5倍覆蓋率的全基因組測序，組裝基因組5.42 Gb，預(yù)測9.4~9.6萬個(gè)基因，定位約2/3的基因，開創(chuàng)了小麥基因組測序的新局面[27]。2017年，Clavijo等[28]利用mate-pair文庫和優(yōu)化的組裝算法，進(jìn)一步提高了小麥基因組的組裝質(zhì)量和完整性，組裝出近78%的中國春小麥基因組。同年底，美國霍普金斯大學(xué)Steven L.Salzberg研究小組利用二代、三代測序技術(shù)，組裝出大約15 Gb的物理圖譜，約占小麥全基因組的90%[29]，國際小麥基因組測序聯(lián)盟也在同年公布了中國春的參考基因組“IWGSC Ref Seq v1.0”，成為目前為止最完整的普通小麥參考圖譜(https://wheat-urgi.versailles. inra.fr/Seq-Repository/Assemblies)。我國科學(xué)家在麥類作物基因組研究方面也做出了很多突出貢獻(xiàn)，其中包括A和D基因組的精細(xì)圖譜繪制，中國春AABBDD精細(xì)圖譜的部分繪制工作[30,31,32,33]。直至2018年8月，普通小麥及其親緣種的精細(xì)基因組序列圖譜均已繪制完成[34]，這為小麥的功能基因組學(xué)、比較基因組學(xué)和進(jìn)化基因組學(xué)研究奠定了重要基礎(chǔ)，更為小麥基因組育種提供了重要依據(jù)。

5.2 基因組信息在小麥性狀解析中的應(yīng)用

伴隨著測序成本的逐年降低，基于基因組中單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism, SNP)為分子遺傳標(biāo)記的全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)(genome- wide association study, GWAS)在挖掘小麥重要農(nóng)藝性狀基因方面獲得一系列重要成果。科研人員對4302份優(yōu)質(zhì)面包小麥材料進(jìn)行連續(xù)5年的產(chǎn)量試驗(yàn)，選擇1092份材料開展連續(xù)2年不同環(huán)境下的田間產(chǎn)量數(shù)據(jù)調(diào)查，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，檢測到16個(gè)與小麥產(chǎn)量相關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記，集中分布在染色體3B和6B上[35]。在針對192份普通小麥(包括87份栽培品種，80份地方品種和25份人工合成異源六倍體小麥) 4個(gè)地區(qū)兩年間的田間性狀調(diào)查，檢測到分布于2A、2B、2D和6A染色體，與穗長相關(guān)聯(lián)的4個(gè)SNP位點(diǎn)；3個(gè)與穗粒數(shù)相關(guān)聯(lián)，位于2A、2B和7B的SNP位點(diǎn)，以及1個(gè)分布于7B染色體上的與穗數(shù)相關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn)[36]。與小麥種子品質(zhì)[37]和抗銹病[38]等相關(guān)的部分SNP標(biāo)記也被開發(fā)并定位于染色體上，詳見表2。由此可見，基于小麥重測序開發(fā)的大量SNP分子標(biāo)記在重要農(nóng)藝性狀基因的遺傳定位和高效系統(tǒng)地克隆小麥的重要功能基因，解析小麥高產(chǎn)、抗逆、優(yōu)質(zhì)等重要性狀的分子機(jī)制發(fā)揮了舉足輕重的作用。加速了栽培小麥遺傳改良和分子育種的進(jìn)程，為促進(jìn)小麥產(chǎn)量與品質(zhì)的提升奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

通過上述關(guān)于普通小麥基因組測序過程及應(yīng)用案例的講解，使學(xué)生掌握了基因組測序的基本方法、策略和步驟，了解當(dāng)前測序技術(shù)的發(fā)展及各種測序技術(shù)的特點(diǎn)，以及基因組信息在小麥基礎(chǔ)理論研究和育種改良研究中的應(yīng)用。上述案例在遺傳學(xué)課堂上的應(yīng)用發(fā)揮了拋磚引玉的作用，為學(xué)生未來學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言、基因組學(xué)、生物信息學(xué)等專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)；同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生努力鉆研，用掌握的基因組學(xué)相關(guān)知識和技術(shù)解決生活、生產(chǎn)中的實(shí)際問題。

表2 全基因組關(guān)聯(lián)分析在小麥育種研究中的應(yīng)用

6 結(jié)語

通過對普通小麥相關(guān)研究進(jìn)展及應(yīng)用進(jìn)行梳理和總結(jié)，設(shè)計(jì)成教學(xué)案例貫穿于遺傳學(xué)不同章節(jié)的內(nèi)容之中(表1)，使遺傳學(xué)教學(xué)內(nèi)容豐富化、前沿化、系統(tǒng)化，不僅有助于幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的知識體系，開拓學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，提高思考問題的深度，更有利于打破以往學(xué)生死啃書本的學(xué)習(xí)方法。這種嘗試用同一種生物解析多種遺傳現(xiàn)象的教學(xué)方法，充分體現(xiàn)了當(dāng)前遺傳學(xué)研究的前沿性和完整性，使遺傳學(xué)教學(xué)具有連貫性和趣味性，為提高本科遺傳學(xué)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供重要的支持。

[1] Huang SX, Sirikhachornkit A, Su XJ, Faris J, Gill B, Haselkorn R, Gornicki P. Genes encoding plastid acetyl- CoA carboxylase and 3-phosphoglycerate kinase of thecomplex and the evolutionary history of polyploid wheat., 2002, 99(12): 8133–8138.

[2] Jan D. The relationship between the genome ofand the A and B genomes of, 1976, 18(2): 371–377.

[3] FeldmanM, LuptonFGH, MillerTE. Wheats. In Evolution of Crop Plants, 2nd ed. London: Longman Scientific,1995, 184–192.

[4] Marcussen T, Sandve SR, Heier L, Spannagl M, Pfeifer M, Jakobsen KS, Wulff BBH, Steuernagel B, Mayer KFX, Olsen OA. Ancient hybridizations among the ancestral genomes of bread wheat., 2014, 345(6194): 1250092.

[5] Chester M, Leitch AR, Soltis PS, Soltis DE. Review of the application of modern cytogenetic methods (FISH/GISH) to the study of reticulation (polyploidy/hybridisation)., 2010, 1(2): 166–192.

[6] Zhao N, Zhu B, Li MJ, Wang L, Xu LY, Zhang HK, Zheng SS, Qi B, Han FP, Liu B. Extensive and heritable epigenetic remodeling and genetic stability accompany allohexaploidization of wheat., 2011, 188(3): 499–510.

[7] Zhang HK, Bian Y, Gou XW, Dong YZ, Rustgi S, Zhang BJ, Xu CM, Li N, Qi B, Han FP, von Wettstein D, Liu B. Intrinsic karyotype stability and gene copy number variations may have laid the foundation for tetraploid wheat formation., 2013, 110(48): 19466–19471.

[8] Graybosch RA. Uneasy Unions: Quality effects of rye chromatin transfers to wheat., 2001, 33(1): 3–16.

[9] Mago R, Spielmeyer W, Lawrence G, Lagudah E, Ellis J, Pryor A. Identification and mapping of molecular markers linked to rust resistance genes located on chromosome 1RS of rye using wheat-rye translocation lines., 2002, 104(8): 1327–1324.

[10] Rabinovich SV. Importance of wheat-rye translocations for breeding modern cultivar ofL., 1998, 100: 323–340.

[11] Li J, Zhu XG, Wan HS, Wang Q, Tang ZX, Fu SL, Yang ZJ, Yang MY, Yang WY. Identification of the 1RS-7DS.7DL wheat-rye small segment translocation lines., 2015, 37(6): 590–598.李俊, 朱欣果, 萬洪深, 王琴, 唐宗祥, 符書蘭, 楊足君, 楊漫宇, 楊武云. 1RS-7DS.7DL小麥–黑麥小片段易位系的鑒定. 遺傳, 2015, 37(6): 590–598.

[12] Zhou Y, He ZH, Sui XX, Xia XC, Zhang XK, Zhang GS. Genetic improvement of grain yield and associated traits in the northern China winter wheat region from 1960 to 2000., 2007, 47(1):245–253.

[13] Schlegel R. Current list of wheats with rye and alien introgression. Version 02-14. 2014. http://www.rye-gene- map.de/rye-introgression.

[14] Wei YM, Zheng YL, Zhou RH, Jia JZ. FISH and RFLP were used to detect the rye chromosomes in new multi- spike wheat germplasm 10-A., 1999, 41(7): 722– 725.魏育明, 鄭有良, 周榮華, 賈繼增. 應(yīng)用熒光原位雜交和RFLP標(biāo)記檢測多小穗小麥新種質(zhì)10-A中的黑麥染色體. 植物學(xué)報(bào), 1999, 41(7): 722–725.

[15] Chen L, Li M, Wang Y, Qiu L, Tang S, Tang ZX, Fu S. Structural variation of chromosomes in wheat-rye 1BL/1RS translocation lines., 2015, 35(8): 1038–1043.陳雷, 李萌, 王洋洋, 邱玲, 湯述堯, 唐宗祥, 符書蘭. 小麥–黑麥1BL/1RS易位系中的染色體結(jié)構(gòu)變異. 麥類作物學(xué)報(bào), 2015, 35(8): 1038–1043.

[16] Danilova TV, Friebe B, Gill BS. Single-copy gene fluorescence in situ hybridization and genome analysis: Acc-2 loci mark evolutionary chromosomal rearrangements in wheat., 2012, 121(6): 597–611.

[17] Peng J, Richards DE, Hartley NM, Murphy GP, Devos KM, Flintham JE, Beales J, Fish LJ, Worland AJ, Pelica F, Sudhakar D, Christou P, Snape JW, Gale MD, Harberd NP. ‘Green revolution’ genes encode mutant gibberellin res-ponse modulators., 1999, 400(6741): 256–261.

[18] Zhao H. Research and utilization of dwarf genes in wheat., 2004, 8(4): 96–99.趙和. 小麥矮稈基因研究和利用現(xiàn)狀. 河北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2004, 8(4): 96–99.

[19] Yang SJ, Zhang XK, He ZH, Xia XC, Zhou Y. Distrubition of dwarfing genesandin Chinese bread wheats detected by STS marker., 2006, 39(8): 1680–1688.楊松杰, 張曉科, 何中虎, 夏先春, 周陽. 用STS標(biāo)記檢測矮稈基因和在中國小麥中的分布. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39(8): 1680–1688.

[20] Liu XY, Li S, Wu K, Liu Q, Gao XH, Fu XD. Sustainable crop yields from the coordinated modulation of plant growth and nitrogen metabolism., 2019, 64(25): 2633–2640.

[21] Li S, Tian YH, Wu K, Ye YF, Yu JP, Zhang JQ, Liu Q, Hu MY, Li H, Tong YP, Nicholas PH, Fu XD. Modulating plant growth-metabolism coordination for sustainable agriculture., 2018, 560(7720): 595–600.

[22] Avni R, Nave M, Barad O, Baruch K, Twardziok SO, Gundlach H, Hale I, Mascher M, Spannagl M, Wiebe K, Jordan KW, Golan G, Deek J, Ben ZB, Ben ZG, Himmelbach A, Maclachlan RP, Sharpe AG, Fritz A, Ben DR, Budak H, Fahima T, Korol A, Faris JD, Hernandez A, Mikel MA, Levy AA, Steffenson B, Maccaferri M, Tuberosa R, Cattivelli L, Faccioli P, Ceriotti A, Kashkush K, Pourkheirandish M, Komatsuda T, Eilam T, Sela H, Sharon A, Ohad N, Chamovitz DA, Mayer KF, Stein N, Ronen G, Peleg Z, Pozniak CJ, Akhunov ED, Distelfeld A. Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication., 2017, 357(6346): 93–97.

[23] Shitsukawa N, Tahira C, Kassai KI, Hirabayashi C, Shimizu T, Takumi S, Mochida K, Kawaura K, Ogihara Y, Murai K. Genetic and epigenetic alteration among three homoeologous genes of a classbox gene in hexaploid wheat., 2007, 19(6): 1723–1737.

[24] Wen SS, Wen N, Pang JS, Langen G, Brew-Appiah RAT, Mejias JH, Osorio C, Yang MM, Gemini R, Moehs CP, Zemetra RS, Kogel KH, Liu B, Wang XZ, von Wettstein D, Rustgi S. Structural genes of wheat and barley 5-methylcytosine DNA glycosylases and their potential applications for human health., 2012, 109(50): 20543–20548.

[25] Yu HX, Tian JC. Review of genome B inL., 2008, 6(4): 724–732.于海霞, 田紀(jì)春. 普通小麥B基因組的研究進(jìn)展. 分子植物育種, 2008, 6(4): 724–732.

[26] Dolezel J, Greilhuber J, Suda J. Estimation of nuclear dna content in plants using flow cytometry., 2007, 2(9): 2233–2244.

[27] Brenchley R, Spannagl M, Pfeifer M, Barker GLA, D'Amore R, Allen AM, McKenzie N, Kramer M, Kerhornou A, Bolser D, Kay S, Waite D, Trick M, Bancroft I, Gu Y, Huo NX, Luo MC, Sehgal S, Kianian S, Gill B, Anderson O, Kersey P, Dvorak J, McCombie R, Hall A, Mayer KFX, Edwards KJ, Bevan MW, Hall N. Analysis of the bread wheat genome using whole genome shotgun sequencing., 2012, 491(7426): 705–710.

[28] Clavijo BJ, Venturini L, Schudoma C, Accinelli GG, Kaithakottil G, Wright J, Borrill P, Kettleborough G, Heavens D, Chapman H, Lipscombe J, Barker T, Lu FH, McKenzie N, Raats D, Ramirez-Gonzalez RH, Coince A, Peel N, Percival-Alwyn L, Duncan O, Tr?sch J, Yu GT, Bolser DM, Namaati G, Kerhornou A, Spannagl M, Gundlach H, Haberer G, Davey RP, Fosker C, Palma FD, Phillips AL, Millar AH, Kersey PJ, Uauy C, Krasileva KV, Swarbreck D, Bevan MW, Clark MD. An improved assembly and annotation of the allohexaploid wheat genome identifies complete families of agronomic genes and provides genomic evidence for chromosomal translocations., 2017, 27(5): 885–896.

[29] Zimin AV, Puiu D, Hall R, Kingan S, Clavijo BJ, Salzberg SL. The first near-complete assembly of the hexaploid bread wheat genome,., 2017, 6(11): 1–7.

[30] Ling HQ, Zhao SC, Liu DC, Wang JY, Sun H, Zhang C, Fan HJ, Li D, Dong LL, Tao Y, Gao C, Wu HL, Li YW, Cui Y, Guo XS, Zheng SS, Wang B, Yu K, Liang QS, Yang WL, Lou XY, Chen J, Feng MJ, JB, Zhang XF, Luo GB, Jiang Y, Liu JJ, Wang ZB, Sha YH, Zhang BR, Wu HJ, Tang DZ, Shen QH, Xue PY, Zou SH, Wang XJ, Liu X, Wang FM, Yang YP, An XL, Dong ZY, Zhang KP, Zhang XQ, Luo MC, Dvorak J, Tong YP, Wang J, Yang HM, Li ZS, Wang DW, Zhang AM, Wang J. Draft genome of the wheat A-Genome progenitor., 2013, 496(7443): 87–90.

[31] Ling HQ, Ma B, Shi XL, Liu H, Dong LL, Sun H, Cao YH, Gao Q, Zheng SS, Li Y, Yu Y, Du HL, Qi M, Li Y, Lu HW, Yu H, Cui Y, Wang N, Chen CL, Wu HL, Zhao Y, Zhang JC, Li YW, Zhou WJ, Zhang BR, Hu WJ, Van EMT, Tang JF, Witsenboer HMA, Zhao SC, Li ZS, Zhang AM, Wang DW, Liang CZ. Genome sequence of the progenitor of wheatA subgenome., 2018, 557(7705): 424–428.

[32] Shi XL, He YL, Ling HQ. Progress on wheat A genome illustration and its evolutional analysis., 2019, 41(9): 836–844.史曉黎, 何伊琳, 凌宏清. 小麥A基因組測序與進(jìn)化研究進(jìn)展. 遺傳, 2019, 41(9): 836–844.

[33] Luo MC, Gu YQ, Puiu D, Wang H, Twardziok SO, Deal KR, Huo NX, Zhu TT, Wang L, Wang Y, McGuire PE, Liu SY, Long H, Ramasamy RK, Rodriguez JC, Van Sonny L, Yuan LX, Wang ZZ, Xia ZQ, Xiao LC, Anderson OD, Ouyang SH, Liang Y, Zimin AV, Pertea G, Qi P, Bennetzen JL, Dai XT, Dawson MW, Müller HG, Kugler K, Rivarola-Duarte L, Spannagl M, Mayer KFX, Lu FH, Bevan MW, Leroy P, Li PC, You FM, Sun QX, Liu ZY, Lyons E, Wicker T, Salzberg SL, Devos KM, Dvo?ák J. Genome sequence of the progenitor of the wheat D genome., 2017, 551(7681): 498–502.

[34] The International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC), Appels R, Kellye E, Nils S, Catherine F, Beat K, Jane R. Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome., 2018, 361(6403): eaar7191.

[35] Sehgal D, Rosyara U, Mondal S, Singh R, Poland J, Dreisigacker S. Incorporating genome-wide association mapping results into genomic prediction models for grain yield and yield stability in CIMMYT spring bread wheat., 2020, 11: 197.

[36] Liu J, Xu ZB, Fan XL, Zhou Q, Cao J, Wang F, Ji GS, Yang L, Feng B, Wang T. A genome-wide association study of wheat spike related traits in China., 2018, 9: 1584.

[37] Tsai HY, Janss LL, Andersen JR, Orabi J, Jensen JD, Jahoor A, Jensen J. Genomic prediction and GWAS of yield, quality and disease-related traits in spring barley and winter wheat., 2020, 10(1): 3347.

[38] Kumar D, Kumar A, Chhokar V, Gangwar OP, Bhardwaj SC, Sivasamy M, Prasad SVS, Prakasha TL, Khan H, Singh R, Sharma P, Sheoran S, Iquebal MA, Jaiswal S, Angadi UB, Singh G, Rai A, Singh GP, Kumar D and Tiwari R. Genome-wide association studies in diverse spring wheat panel for stripe, stem, and leaf rust resistance., 2020, 11: 748.

[39] Singh S, Sehgal D, Kumar S, Arif MAR, Vikram P, Sansaloni CP, Fuentes-Dávila G, Ortiz C. GWAS revealed a novel resistance locus on chromosome 4D for the quarantine disease Karnal bunt in diverse wheat pre-breeding germplasm., 2020, 10(1): 5999.

[40] Jin JJ, Duan SN, Qi YZ, Yan SH, Li W, Li BY, Xie CJ, Zhen WC, Ma J. Identification of a novel genomic region associated with resistance to Fusarium crown rot in wheat., 2020, 133(7): 2063–2073.

[41] Masterson J. Stomatal size in fossil plants: evidence for polyploidy in majority of angiosperms., 1994, 264(5157): 421–424.

[42] Liu QC. Genetics (Third edition). Beijing: Science Press, 2015.劉慶昌. 遺傳學(xué)(第三版). 北京: 科學(xué)出版社, 2015.

The applications of research progress of common wheat in teaching genetics

Na Zhao1, Bao Qi2, Qianli Dong3, Xiaoli Wang1

Common wheat (L.) is also known as allohexaploid wheat. Its genome is composed of A/B/D sub-genomes from three closely related diploid ancestors. The evolutionary history of common wheat is used as a classic example to illustrate the mechanism of species formation and chromosome number variation in the current genetics class. In recent years, with the rapid development and application of research technologies, there have been many breakthroughs in the study of common wheat, at the cytological, molecular and genomic level. Here, we summarize the latest research achievements on common wheat, and discuss our practice in combining them with the genetics teaching. Our approach is not only a supplement to the current genetics textbooks, but also enables students to realize that genetics is a constantly evolving natural science. We aim to enhance students’ interests in learning, as well as their systematic learning abilities on genetics and related scientific research frontiers.

genetics; theoretical teaching; common wheat; allopolyploid

2020-04-23;

2020-08-08

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(編號：31300191)資助[Supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (No. 31300191)]

趙娜，博士，講師，研究方向：多倍體植物基因組進(jìn)化。E-mail: znjlau@163.com

王曉麗，博士，教授，研究方向：細(xì)胞生物學(xué)。E-mail: 1392313442@qq.com

10.16288/j.yczz.20-113

2020/9/9 17:41:48

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20200908.1013.001.html

(責(zé)任編委: 陳德富)