中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員張學(xué)勇研究了一輩子的小麥。臨近退休，他卻為中國小麥基因組研究的現(xiàn)狀擔(dān)憂起來。
2020年，加拿大學(xué)者領(lǐng)銜多國科學(xué)家在《自然》上發(fā)表了國際小麥泛基因組計(jì)劃（10+），其涵蓋的品種均為歐洲、CIMMYT和北美品種，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能代表世界第一小麥生產(chǎn)國——中國的小麥品種多樣性。
在張學(xué)勇心中，關(guān)于小麥還有很多未解之謎。他決定帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外學(xué)者做一份更高質(zhì)量的小麥泛基因組參考圖譜。
北京時間2024年11月28日，《自然》再次發(fā)表小麥泛基因組圖譜，這項(xiàng)研究來自張學(xué)勇和他的合作者。他們從頭組裝了中國17個代表性小麥品種染色體水平的高質(zhì)量基因組，并揭示了小麥品種與人文、環(huán)境協(xié)同進(jìn)化的基因組基礎(chǔ)。
被全球小麥界奉為金標(biāo)準(zhǔn)的中國地方品種
關(guān)于小麥，吃著面食長大的甘肅人張學(xué)勇有講不完的故事。他在課堂上、組會上，總是能從這些故事講到小麥遺傳學(xué)的科學(xué)問題上去。
“‘中國春’是一個非常古老而重要的小麥地方品種，被廣泛應(yīng)用于小麥遺傳學(xué)研究?！睆垖W(xué)勇說，大約在上世紀(jì)初，“中國春”傳到了英國，當(dāng)時被稱為“中國白小麥”，后來傳到美國和加拿大，并被稱作現(xiàn)在的名字——“中國春”。由于“中國春”很容易與黑麥雜交，育種家獲得了抗病性很好的小麥—黑麥雜種。后來又獲得了單體、三體和缺-四體材料，成為廣泛用作小麥遺傳學(xué)研究的核心，即“中國春”非整倍體系列，也使“中國春”成了眾所周知的小麥遺傳學(xué)和外源基因轉(zhuǎn)移等研究的工具和橋梁材料。
科學(xué)家研究認(rèn)為，“中國春”是四川成都平原的著名地方品種“成都光頭”的一個選系。
“由于它的重要性，‘中國春’被選為小麥參考基因組?！睆垖W(xué)勇說，小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，含有三個功能相似、染色體間可發(fā)生互換的亞基因組（A，B，D），基因組極其復(fù)雜，其大小約為人類染色體的5倍。在國際小麥基因組測序聯(lián)盟（IWGSC）的牽頭下，20余個國家、70多家機(jī)構(gòu)、200多位科學(xué)家，花費(fèi)15年時間才破解“中國春”基因組。
2018年，由澳大利亞莫道克大學(xué)教授R. Appels領(lǐng)銜的“中國春”小麥參考基因組發(fā)布，中國科學(xué)家完成了其中半條染色體的測序工作。
“參考基因組的完成讓科學(xué)家對小麥的認(rèn)識跨上了一個新臺階。”張學(xué)勇拿著已故中國科學(xué)院院士莊巧生主編的《中國小麥品種及其系譜》說，這本書非常全面準(zhǔn)確的記錄了中國小麥品系的演變和親本關(guān)系，是我國老一輩科學(xué)家留下的一份財(cái)富。然而，還很少有研究從基因組學(xué)的角度來客觀闡述小麥育種規(guī)律。
正如莊巧生所說，目前的育種有技術(shù)加經(jīng)驗(yàn)，也有一些目前看來尚屬于心領(lǐng)神會、難以言傳身教的藝術(shù)成分。
如今，基于規(guī)?；贩N的重測序成為系統(tǒng)解析優(yōu)異種質(zhì)資源和重大品種形成和演變的重要技術(shù)和方法，為從新的角度分析和認(rèn)識育種中的規(guī)律提供了可能。張學(xué)勇當(dāng)即開始對照“中國春”基因組，對145個中國小麥品種進(jìn)行重測序。
小麥種質(zhì)資源表型鑒定。張學(xué)勇供圖
沖鋒：高質(zhì)量的小麥泛基因組
焦成智就是在諾禾致源公司承擔(dān)該測序項(xiàng)目時認(rèn)識了張學(xué)勇老師。
短短兩年時間，他對張學(xué)勇信手拈來的各種小麥典故著了迷?！拔矣X得研究小麥既有趣，又有挑戰(zhàn)性。它的基因組很復(fù)雜，是幾大糧食作物里基因組學(xué)研究進(jìn)展最緩慢的一個?！?/p>
張學(xué)勇一直對焦成智的工作贊許有加，這讓焦成智倍感信任，“張老師不給我壓力，我反而不由自主地想把項(xiàng)目進(jìn)度往前趕”。
通過對145份不同時期小麥代表性品種進(jìn)行重測序，他們構(gòu)建了高密度的基因組變異圖譜，揭示了過去70年我國小麥育成品種基因組重塑和優(yōu)化的過程。
然而，在重測序數(shù)據(jù)中，總有一些片段無法比對到“中國春”參考基因組上。這個問題不但讓張學(xué)勇感到意外，也讓焦成智非常好奇。
2019年夏天，論文完成并投稿到《分子植物》（Molecular Plant）。焦成智下定決心今后要選擇小麥作為一輩子的研究對象。一天傍晚，他給張學(xué)勇打了電話，表達(dá)了想在張學(xué)勇團(tuán)隊(duì)讀博的愿望。
“張老師在電話里非常激動，他很高興我愿意加入，可能是因?yàn)樗膱F(tuán)隊(duì)一直缺少生物信息學(xué)的專業(yè)成員。”焦成智說，當(dāng)時的他并不知道，快要退休的張學(xué)勇在中國農(nóng)科院已經(jīng)沒有招生名額。
打了一圈電話后，張學(xué)勇高興地告訴焦成智，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王秀娥教授忍痛割愛，同意提供一個聯(lián)合培養(yǎng)的博士生名額。就這樣，焦成智在2020年辭去工作，成為了張學(xué)勇和王秀娥老師的博士生，開始探索他好奇的問題。
“一個品種并不完全擁有小麥的所有基因組信息，需要對一批具有代表性的品種或資源基因組進(jìn)行從頭組裝，才有可能獲得一個物種基因組變異的全部信息，即泛基因組。”張學(xué)勇說，當(dāng)他們決定從145份小麥品種中挑選出最具代表性的一些品種來完成高質(zhì)量的小麥泛基因組時，意想不到的事情發(fā)生了——《自然》雜志發(fā)表了加拿大等國科學(xué)家聯(lián)合完成的國際小麥泛基因組計(jì)劃（10+），但中國科學(xué)家只是以國外科研單位或大學(xué)工作人員身份參與其中。認(rèn)真讀完這篇論文后，張學(xué)勇不慌了。
首先，泛基因組計(jì)劃（10+）中有10個品種組裝比較完整，其它比較粗曠，但顯示了小麥中大量結(jié)構(gòu)變異的存在。其次，10+項(xiàng)目所涵蓋的品種大多為歐洲和北美品種，其中的“中國春”并不能代表中國的育成品種。張學(xué)勇在前期研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，中國小麥育成品種的多樣性高于全球其他發(fā)達(dá)國家品種的多樣性。
“這是由于我國小麥商業(yè)化育種發(fā)展相對較慢，一定程度上保留了品種的遺傳多樣性，維持了小麥品種較高的韌性。”張學(xué)勇說。
中國作為世界第一小麥生產(chǎn)、消費(fèi)大國，也是小麥育種大國，過去70年中小麥品種的產(chǎn)量水平提高了6~8倍，育成國審品種約3500個。這是巨大的種質(zhì)資源寶庫?！把芯恐袊←溒贩N育種過程中基因組的變化，無疑將提供一個很好的基因組與育種相結(jié)合的樣板?！睆垖W(xué)勇說。
張學(xué)勇的導(dǎo)師是我國作物種質(zhì)資源學(xué)科的主要奠基人、中國工程院院士董玉琛，一位用半生收集作物種質(zhì)資源的女性。張學(xué)勇把導(dǎo)師的大照片掛在辦公桌對面的墻上，只要一抬頭就能看到她含笑的眼睛，就好像導(dǎo)師還在默默勉勵著他。
張學(xué)勇團(tuán)隊(duì)在國家作物種質(zhì)資源庫前。張學(xué)勇供圖
帶領(lǐng)合作者和團(tuán)隊(duì)集智攻關(guān)
考慮到品種的歷史性、區(qū)域性、對當(dāng)前育種的可參考性，張學(xué)勇團(tuán)隊(duì)從145個品種中選出了17個有代表性的品種，進(jìn)行三代測序組裝，包括2000年以后的川麥42、周麥16、周麥22、濟(jì)麥22，上世紀(jì)八九十年代的寧春4號、小偃6號、揚(yáng)麥158，還有上世紀(jì)五六十年代的著名品種北京8號、西農(nóng)6028等。張學(xué)勇能如數(shù)家珍般地說出這17個品種是誰在哪里育成的，有什么特征，為何有代表性……
焦成智負(fù)責(zé)組裝工作，材料提供給測序合作者后，進(jìn)入了長達(dá)一年多的等待期。“這段時間我們沒有閑著，通過分析以前得到的一些數(shù)據(jù)，對以往課題組創(chuàng)造的材料及相應(yīng)的表型和芯片掃描數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，總結(jié)提出了一種能兼顧育種和基因組研究、基因定位克隆的群體構(gòu)建方案?！苯钩芍钦f。
張學(xué)勇在國際動植物基因組學(xué)年會上認(rèn)識了澳大利亞莫道克大學(xué)教授Rajeev K. Varshney。他是植物、特別是豆類作物基因組研究的領(lǐng)軍人物。張學(xué)勇給他發(fā)了一份郵件，提出請他修改潤色那篇準(zhǔn)備投稿到《植物通訊》（plant communications ）的論文。
Varshney對論文中提出的育種策略表示充分肯定，主動提出與張學(xué)勇合作研究。
然而，17個高質(zhì)量染色體級別的基因組數(shù)據(jù)量何其龐大，后續(xù)要開展的分析工作頭緒很多。
小麥從中東的新月沃土地區(qū)的野草，逐漸變身為全球最成功的作物，到底經(jīng)歷了什么？它是如何適應(yīng)人文和自然環(huán)境的變化的？小麥品種分化的核心區(qū)域在哪里？到底是先有冬小麥還是先有春小麥？為什么我國小麥籽粒呈現(xiàn)北“硬”南“軟”的特征？這些問題是張學(xué)勇一直想要回答的，也是國際上小麥基因組研究的熱點(diǎn)。
如果只靠一個團(tuán)隊(duì)的力量去解決這些問題，在龐大的數(shù)據(jù)面前仿佛“大海撈針”，進(jìn)展非常緩慢。
“我感覺進(jìn)入一個瓶頸期了，有一段時間組會上聽不到太多新的進(jìn)展?！睆垖W(xué)勇覺得是時候引入新的力量推進(jìn)這個項(xiàng)目了。
他對焦成智說，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授郭偉龍?jiān)诒本┼]電大學(xué)和清華大學(xué)學(xué)習(xí)的是計(jì)算機(jī)和信息學(xué)，現(xiàn)在從事小麥基因組解析與種質(zhì)資源演化研究。他不僅專業(yè)對口，而且為人謙和，應(yīng)該能一起干事情。
焦成智特別支持導(dǎo)師的動議，“只要是愿意一起分享成果和技術(shù)的，我們都愿意合作”。
在張學(xué)勇給郭偉龍打電話前，二人只有一面之緣。但是電話里，不到兩分鐘的時間，郭偉龍就爽快的答應(yīng)和他們一起做小麥泛基因組的解析工作。放下電話，他就將這項(xiàng)工作交待給了自己的博士生謝小明。
“郭老師團(tuán)隊(duì)加入后，我們的進(jìn)度立馬加快了?！睆垖W(xué)勇說。有一次，他讓謝小明分析小麥春化基因VRN-A1拷貝數(shù)變異情況。不到一周，謝小明就交出一張漂亮的圖，上面顯示了17個品種中春化基因的拷貝數(shù)以及對應(yīng)品種是春性還是冬性。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小麥的祖先種如野生四倍體、栽培四倍體完全是“春性”類型，基本只攜帶一個拷貝；而普通小麥中出現(xiàn)“冬性”突變，擁有2到3個突變后的VRN-A1拷貝。
現(xiàn)代品種的拷貝數(shù)明顯比老地方品種要少，這解釋了地方品種和現(xiàn)代育成品種對環(huán)境變化的高度適應(yīng)性及遺傳基礎(chǔ)，也為小麥為何能在全球分布如此廣泛提供了新的見解。
團(tuán)隊(duì)成員在中麥66繁殖田中。張學(xué)勇供圖
激動人心：在國際小麥大會上收到論文接受通知
張學(xué)勇團(tuán)隊(duì)的成員90%以上是北方人，他們對小麥制作的面食有一種天然的喜愛。
年輕時的張學(xué)勇，走南闖北地做實(shí)驗(yàn)，一大愛好就是業(yè)余時間走街串巷挖掘地方美食，去到哪里都要找一碗當(dāng)?shù)刈詈贸缘拿鏃l嘗嘗。“北方人喜歡吃鍋盔、咀嚼感很強(qiáng)的面條，而東南居民喜歡松軟的面食。”張學(xué)勇總結(jié)了一句話：北硬南軟，西烤東蒸，一碗面條橫掃天下。
西北面食鍋盔和切開后的孔隙結(jié)構(gòu)。張學(xué)勇供圖
“切開西北的面食‘鍋盔’，可以看到里面的結(jié)構(gòu)致密多孔，和西方的面包差不多。”張學(xué)勇認(rèn)為，小麥從西方傳來中國后，加工成面粉并烤制食用的習(xí)慣漸漸在北方流行起來。而喜歡把小麥籽粒當(dāng)“飯”吃的習(xí)俗隨著戰(zhàn)亂“遷往”了南方。
他們的研究發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒硬度是影響面團(tuán)結(jié)構(gòu)的重要遺傳因素，它受Ha基因座兩個基因同時控制。當(dāng)其中任何一個基因突變或丟失，品種籽粒就會變硬，更適合制作烘焙類食品；反之更適宜于加工比較松軟的饅頭、蛋糕等食品。
“西北有一個用了幾十年的品種——寧春四號，就是典型的Ha基因缺失品種，用它磨出來的面粉叫做雪花粉，西北人就愛用它做面食?！睆垖W(xué)勇說，我國西北、華北小麥品種含Ha基因突變的頻率顯著高于東南、西南地區(qū)小麥品種?！翱梢娙藗儗γ媸车钠煤艽蟪潭壬蠞撘颇赜绊懼镜貐^(qū)小麥育種對Ha基因型的選擇，當(dāng)然籽粒的軟硬與氣候也有很大關(guān)系”。
他們還發(fā)現(xiàn)，在染色體著絲粒附近區(qū)域結(jié)構(gòu)變異的積累顯著影響了基因組的重組，這一現(xiàn)象今年在人類基因組研究中也有發(fā)現(xiàn)和報(bào)道。
來自于黑麥的1RS染色體為小麥提供了重要的抗白粉病、條銹病基因，同時也增加了個體的根量，增強(qiáng)了水肥吸收能力，為小麥產(chǎn)量的提高做出了重要貢獻(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)，這一外源染色體片段在小麥中不是一成不變的，而是快速調(diào)整和進(jìn)化。
一個個分析結(jié)果陸續(xù)完成?！拔覀冞@個團(tuán)隊(duì)里有非常多優(yōu)秀的年輕人。大家一起合作，讓論文寫作和投稿都比較順利?！睆垖W(xué)勇說，作科所助理研究員謝玉心博士可以在組會討論時用英文實(shí)時記錄，會后一邊照顧剛滿月的千金，一邊進(jìn)行討論記錄和初稿的整理和起草；莫道克大學(xué)教授V. Garg英文水平很高，她把文章潤色得非常得體；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后王梓豪針對第一次評審意見，完成了長達(dá)30多頁的答復(fù)初稿……
《自然》雜志編輯看到這篇論文后說，這項(xiàng)研究不僅解答了中國小麥育種科學(xué)發(fā)展的歷程，也回答了歐洲科學(xué)家極為關(guān)注的問題——小麥?zhǔn)侨绾蝹鞑サ饺澜绲摹?/p>
就在論文投稿后幾個月，英國科學(xué)家也向《自然》雜志投稿小麥泛基因組。但由于張學(xué)勇團(tuán)隊(duì)在先，他們轉(zhuǎn)投《自然》子刊?！叭绻皇俏覀儺?dāng)初和郭老師團(tuán)隊(duì)合作，不可能在三年內(nèi)完成這項(xiàng)工作，也就很可能被英國科學(xué)家搶了先機(jī)?！苯钩芍钦f。
2024年9月，第三屆國際小麥大會在莫道克大學(xué)舉辦。張學(xué)勇、郭偉龍和焦成智一同參會，他們在大會上介紹了小麥泛基因組研究的進(jìn)展。但作為東道主的Varshney提醒他，別在大會上說論文已經(jīng)進(jìn)入最后的審稿流程。
演講結(jié)束后，張學(xué)勇接到組委會發(fā)來的郵件，邀請他參加第二天的閉門會議?！斑@個會議是邀請制，只有全世界小麥研究最前沿的科學(xué)家才能參與。以前我們很少參加過?！睆垖W(xué)勇說，會上大家討論了小麥研究今后的重點(diǎn)方向，張學(xué)勇的工作成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。
參加第三屆國際小麥大會，從左至右依次為：郭偉龍、焦成智、張學(xué)勇、Varshney、Chitikineni、Garg。張學(xué)勇供圖
當(dāng)天晚上11點(diǎn)半，Varshney收到了《自然》編輯部接受論文的手機(jī)短信。他激動地打電話告訴張學(xué)勇、郭偉龍、焦成智和所有參與此項(xiàng)研究的年輕人。
“那天我們在群里搶‘紅包’慶祝。”張學(xué)勇說，未來，他們將繪制全球小麥基因組結(jié)構(gòu)變異圖譜及關(guān)聯(lián)的育種性狀，并推動這項(xiàng)基礎(chǔ)研究的相關(guān)成果走向育種應(yīng)用。
論文發(fā)表之際，中國工程院院士、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)校長孫其信說，這項(xiàng)工作構(gòu)建了迄今為止規(guī)模最大、質(zhì)量最高的小麥泛基因組，是在2020年國際小麥10+基因組計(jì)劃完成后的一項(xiàng)新的里程碑式的工作。這一工作成功解讀了小麥廣泛環(huán)境適應(yīng)性和品質(zhì)形成背后的“基因密碼”，所揭示的豐富結(jié)構(gòu)變異反映了小麥基因組高度的可塑性。該研究是近年來作物學(xué)研究與大數(shù)據(jù)交叉融合攻關(guān)的范例，再次證明我國在麥類基因組學(xué)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。
中國工程院院士劉旭說，這項(xiàng)成果標(biāo)志著我國小麥的前沿基礎(chǔ)研究從跟蹤、學(xué)習(xí)，逐步邁入世界領(lǐng)先水平。該文的發(fā)表必將推動我國作物種質(zhì)資源的研究正式進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，加速重要基因的挖掘與利用研究。
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08277-0
