小麦泛基因组研究揭示我国重大品种演替规律

中国农业科学院作物科学研究所小麦基因挖掘与利用创新团队联合国内外科研院校，在基因组水平全面展示了20世纪50年代以来中国小麦育种历史，揭示了不同层次的结构变异对小麦适应性和育种的影响，为全球种质资源的整合和利用，未来小麦智能设计育种提供了重要基因组支撑以及新的视角和策略。相关研究成果以研究长文的形式在线发表于《自然（Nature）》。

据张学勇研究员介绍，小麦是我国仅次于水稻的主粮作物。小麦是异源六倍体，含有三个功能相似、染色体间可发生互换的亚基因组（A，B，D），赋予了其基因组很好的弹性和韧性，能够更好地耐受基因的丢失、重复、倒位、易位等结构变异冲击。对代表性小麦品种的基因组进行分析，揭示其基因组水平的演进规律，对未来小麦育种将有一定的指导意义。

研究人员从我国近70年育成的5000多个小麦品种中筛选出有代表性的17个品种，从头组装它们染色体水平的高质量基因组，并对精准鉴定出的近25万个结构变异分析，发现跨着丝粒区域是小麦品种分化的核心区域。进一步分析发现，这17个中国小麦品种展现出的遗传多样性远高于全球其它国家近30年育成品种。研究推断，这是由于我国小麦商业化育种发展相对较慢，一定程度保留了其品种的遗传多样性、维持小麦品种较高的韧性。这为未来作物育种体制的调整提供了参考。

为进一步探索小麦品种对环境变化的高度适应性及遗传基础，解析小麦“春性”与“冬性”的转变和演化。研究人员通过分析春化基因VRN-A1拷贝数变异情况，发现小麦的祖先种如野生四倍体、栽培四倍体完全是“春性”类型，而普通小麦中出现“冬性”突变和VRN-A1基因的拷贝数变异，继而呈现“冬性”—即抗寒性强弱的变化。研究还发现，基因变异后拷贝数越高，品种抗冻害能力越强。但是与地方品种相比，现代品种中该基因拷贝数降低，推测这可能与最近100年气候变暖密切相关。这一发现揭示了小麦品种适应性的遗传基础，为未来小麦广适性育种提供理论指导。

研究人员同时发现了不同地区小麦品种籽粒硬度变化的演进规律。研究表明，小麦籽粒硬度受 Ha 基因控制，而该基因突变或丢失，品种籽粒就会变硬。在我国近70年人工选择和自然选择双重作用下，西北、华北小麦品种含 Ha 基因突变的频率显著高于东南、西南地区小麦品种，这与我国居民“北硬”“南软”的饮食习惯密切相关，这一发现说明小麦品种既是生产要素、也是饮食文化的重要载体。

刘旭院士认为，中国小麦种质资源和重大品种形成和演变规律的研究，前后经过了三个大的阶段，第一个阶段是重要基因的等位变异分析，第二阶段是单倍型和单倍型区段的研究，第三个阶段是大的基因组结构变异对重要性状形成的影响，也是该研究的主要内容。标志着我国小麦的基础研究逐步迈入世界领先水平。此项工作必将推动我国作物种质资源的研究正式进入大数据时代，加速重要基因的挖掘与利用研究。

孙其信院士认为，该研究构建了迄今为止规模最大、质量最高的小麦泛基因组，是一项里程碑式的进展。这一工作成功解读了小麦广泛环境适应性和品质形成背后的“基因密码”，所揭示的丰富结构变异反映了小麦基因组高度的可塑性。该研究是近年来作物学研究与大数据交叉融合攻关的范例，研究成果也将为智能设计育种提供重要基因组支撑和理论指导。

该研究由作科所联合中国农业大学、澳大利亚莫道克大学等单位共同完成。作科所博士研究生焦成智、中国农业大学博士生谢小明、作科所郝晨阳研究员和天津极智生物科技有限公司陈力扬为论文共同第一作者，作科所张学勇研究员、中国农大郭伟龙教授和澳大利亚莫道克大学Rajeev K. Varshney教授为论文的共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、中国农科院创新工程、国家自然科学基金等项目资助。