聚焦中国品种，《自然》再发小麦泛基因组图谱

研究人员进行小麦种质资源表型鉴定。

■本报记者 李晨

中国农业科学院作物科学研究所研究员张学勇研究了一辈子小麦。临近退休，他却为中国小麦基因组的研究现状担忧起来。

2020年，加拿大学者领衔多国科学家在《自然》发表了国际小麦泛基因组计划（10+），其涵盖的品种均为欧美品种，只有一个“中国春”是中国的，远远不能代表世界第一小麦生产国——中国的小麦品种多样性。

在张学勇心中，关于小麦还有很多未解之谜。他决定做一份更高质量的小麦泛基因组参考图谱。

11月28日，《自然》再次发表小麦泛基因组图谱。正是张学勇与合作者从头组装了中国17个代表性小麦品种染色体水平的高质量基因组，并揭示了小麦品种与人文、环境协同进化的基因组基础。

一个巨大的种质资源宝库

关于小麦，吃着面食长大的甘肃人张学勇有讲不完的故事。他告诉《中国科学报》，大约在上世纪初，我国一个非常古老而重要的小麦地方品种“中国春”先后传到了英国、美国和加拿大，并成为众所周知的小麦遗传学、外源基因转移等研究的工具和桥梁材料。

在国际小麦基因组测序联盟的牵头下，20余个国家、70多家机构、200多位科学家，花费15年时间才破解了“中国春”基因组，并于2018年发表。中国科学家完成了其中半条染色体的测序工作。

张学勇当即开始对照“中国春”基因组，对145个中国小麦品种进行重测序。然而，在重测序数据中，总有一些片段无法比对到“中国春”参考基因组上。

“一个品种并不完全拥有小麦的所有基因组信息，需要对一批具有代表性的品种或资源基因组进行从头组装，才有可能获得一个物种基因组变异的全部信息，即泛基因组。”张学勇说，当他们决定攻克高质量的小麦泛基因组难题时，意想不到的事情发生了。

2020年11月，《自然》发表了加拿大等国科学家联合完成的国际小麦泛基因组计划（10+），中国科学家只是参与其中。

但认真读完这篇论文后，张学勇不慌了。首先，泛基因组计划（10+）中有10个品种组装比较完整，其他则比较粗犷。其次，大多为欧洲和北美品种，其中的“中国春”并不能代表中国的育成品种。而张学勇在前期研究中已经发现，中国小麦育成品种的多样性高于发达国家。

中国作为世界第一小麦生产、消费大国，也是小麦育种大国，过去70年小麦品种的产量水平提高了6至8倍，育成国审品种约3500个。这是巨大的种质资源宝库。“研究中国小麦品种育种过程中的基因组变化，无疑将提供一个很好的基因组与育种相结合的样板。”张学勇说。

高质量的小麦泛基因组

考虑到品种的历史性、区域性、对当前育种的可参考性，张学勇团队从145个品种中选出17个有代表性的品种，从头组装它们的基因组。

中国农业科学院和南京农业大学联合培养的博士生焦成智负责组装工作。材料提供给测序合作者后，进入了长达一年多的等待期。“我们没有闲着，而是总结提出了一种能兼顾育种和基因组研究、基因定位克隆的群体构建方案。”焦成智说。

这时，张学勇在国际动植物基因组学年会上认识了澳大利亚莫道克大学教授Rajeev K. Varshney，他主动提出与张学勇合作研究。然而在庞大的数据面前，如果只靠一两个团队的力量解决这些问题，就像“大海捞针”，进展非常缓慢。

张学勇觉得是时候引入新的力量推进这个项目了。而中国农业大学农学院教授郭伟龙从事小麦基因组解析与种质资源演化研究，应该能一起干事情。

在张学勇给郭伟龙打电话前，二人只有一面之缘。但是电话里，郭伟龙不到两分钟就爽快答应和他们一起做小麦泛基因组的解析工作，并将这项工作交代给了自己的博士生谢小明。

有一次，张学勇让谢小明分析小麦春化基因拷贝数变异情况。不到一周，谢小明就交出一张漂亮的图，上面显示了17个品种中春化基因的拷贝数以及对应品种是春性还是冬性。

结果发现，小麦的祖先种如野生四倍体、栽培四倍体完全是“春性”类型，基本只携带一个春化基因拷贝；而普通小麦中出现“冬性”突变，拥有2到3个突变后的春化基因拷贝。这解释了地方品种和现代育成品种对环境变化的高度适应性及遗传基础，也为小麦为何能在全球广泛分布提供了新见解。

在国际小麦大会上成为焦点

张学勇团队成员90%以上是北方人，对小麦制作的面食有一种天然的喜爱。年轻时的张学勇走南闯北做实验，去哪里都要找一碗当地最好吃的面条尝尝。他总结了一句话：北硬南软，西烤东蒸，一碗面条横扫天下。

“切开西北的面食‘锅盔’，可以看到里面的结构致密多孔，和西方的面包差不多。”张学勇说，他们研究发现，小麦籽粒硬度是影响面团结构的重要遗传因素，同时受Ha基因座两个基因的控制。当其中任何一个基因突变或丢失，品种籽粒就会变硬，更适合制作烘焙类食品；反之更适于加工成比较松软的馒头、蛋糕等食品。

“西北有一个用了几十年的品种‘宁春四号’，就是典型的Ha基因缺失品种。用它磨出来的面粉叫雪花粉，西北人爱用它做面食。”张学勇说，人们对面食的偏好在很大程度上潜移默化地影响了本地区小麦育种对Ha基因型的选择，当然籽粒的软硬与气候也有很大关系。

他们还发现，在染色体着丝粒附近区域结构变异的积累显著影响了基因组重组，这一现象今年在人类基因组研究中也有发现和报道。

一个个分析结果陆续完成后，今年1月，他们正式投稿《自然》。期刊编辑说，这项研究不仅揭示了中国小麦育种科学发展的历程，也回答了欧洲科学家极为关注的问题——小麦是如何传播到全世界的。

9月，第三届国际小麦大会在莫道克大学举办。张学勇、郭伟龙和焦成智一同参会，并在大会上介绍了小麦泛基因组研究的部分进展。演讲结束后，张学勇接到组委会发来的邮件，邀请他参加第二天的闭门会议。

“这个会议是邀请制，只有全世界小麦研究最前沿的科学家才能参与。以前我们很少参加。”张学勇说，大家会上讨论了今后小麦研究的重点方向，团队的工作成为关注的焦点。

当天晚上11点半，Varshney收到了《自然》编辑部接收论文的手机短信。他激动地打电话告诉所有参与此项研究的人。

中国工程院院士、中国农业大学校长孙其信说，这项工作构建了迄今为止规模最大、质量最高的小麦泛基因组，是在2020年国际小麦泛基因组计划（10+）完成后的一项新的里程碑式工作。

中国工程院院士刘旭说，这项成果标志着我国小麦的前沿基础研究从跟踪、学习逐步迈入世界领先水平，将推动我国作物种质资源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。

张学勇说，未来，他们将绘制全球小麦基因组结构变异图谱及关联的育种性状，并推动这项基础研究的相关成果走向育种应用。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08277-0