全球首個六倍體小麥端粒到端粒（T2T）完整基因組圖譜在山東繪就

　　中國完整破譯小麥“生命天書”

　　◆給“糧倉支柱”裝上基因?qū)Ш?◆為新品種培育按下加速鍵

　　如果把小麥的基因組比作一本由145億個字符寫成的“生命天書”，過去的科學(xué)家只能看到并讀懂其中零散的章節(jié)，而如今，這本“天書”第一次被從頭到尾完整破譯。

　　4月7日，來自濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）的科研團(tuán)隊(duì)在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》發(fā)布全球首個六倍體小麥端粒到端粒（T2T）完整基因組圖譜，完成對小麥全部21對染色體頭尾無缺口精準(zhǔn)拼接，標(biāo)志著人類對小麥這一“糧倉支柱”的認(rèn)知邁入無盲區(qū)時(shí)代。這項(xiàng)被比喻為“給小麥裝上基因?qū)Ш健钡耐黄疲瑢楦弋a(chǎn)、抗病、耐旱、耐鹽的新品種培育按下加速鍵。

　　登頂“植物界珠峰”

　　作為最古老的糧食作物之一，小麥的基因組堪稱“植物界的珠穆朗瑪峰”，它的遺傳密碼總長達(dá)14.51Gb，含145億個堿基，是水稻的40倍、人類的5倍，更擁有三套既高度同源又有明顯分化的亞基因組，如同三套被撕碎后混成一堆的百科全書。尤其讓科學(xué)家頭疼的是，基因組中近85%是重復(fù)序列，就像把同一段文字復(fù)印了成千上萬次后胡亂拼貼，傳統(tǒng)測序技術(shù)如同拿著模糊的放大鏡，始終無法看清全貌。

　　“過去我們只能通過零碎的基因組片段推測小麥的生命邏輯，現(xiàn)在終于有了完整清晰的圖譜。”濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）主任鄧興旺說。

　　為了把這本小麥“生命天書”拼接完整，鄧興旺組建了一支21人的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，集合了測序技術(shù)專家、生物信息學(xué)家和育種專家，歷經(jīng)兩年多艱苦攻關(guān)，終于在2023年8月繪制出完整圖譜，實(shí)現(xiàn)“珠峰登頂”。

　　基因組測序是解析生命密碼的關(guān)鍵技術(shù)。在繪制圖譜過程中，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地融合兩種前沿測序技術(shù)：PacBio HiFi測序技術(shù)如同超高精度顯微鏡，能夠精準(zhǔn)讀取2萬個堿基長度的DNA片段；ONT超長測序技術(shù)則如同全景廣角相機(jī)，單次測序長度可突破20萬個堿基。為突破數(shù)據(jù)運(yùn)算瓶頸，山東省政府專項(xiàng)支持?jǐn)U容升級超級計(jì)算機(jī)中心，為基因組組裝提供了強(qiáng)大的算力保障。

　　為小麥編寫“免疫程序”

　　濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）研究員陳時(shí)盛長期致力于小麥抗病遺傳育種實(shí)驗(yàn)，借助全新基因組圖譜，他的團(tuán)隊(duì)剛完成一個抗病基因的定位克隆。“在以前版本的參考基因組圖中，有些基因所在的染色體區(qū)域存在組裝錯誤，一度使課題研究迷失方向、陷入僵局。”陳時(shí)盛形象地比喻，“這份圖譜為小麥遺傳研究裝上了完整版的導(dǎo)航系統(tǒng)，我們可以精準(zhǔn)定位基因在染色體上的坐標(biāo)，快速鎖定候選基因，顯著縮短研究周期。”

　　最復(fù)雜的難題往往藏著最珍貴的寶藏。“有了完整基因圖譜，我們第一次能精準(zhǔn)定位控制抗病、高產(chǎn)等性狀的‘開關(guān)’。”論文共同作者何航研究員展示了3.4萬個過去未被發(fā)現(xiàn)的高置信度基因。例如，一批NLR抗病基因的識別，讓科學(xué)家能像編寫“免疫程序”般設(shè)計(jì)抗病的小麥。

　　這項(xiàng)研究成果還帶來了一系列顛覆性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：小麥從四倍體升級為六倍體時(shí)，基因組發(fā)生過23次“乾坤大挪移”，總計(jì)5.18億堿基的染色體倒位，暗示著小麥祖先在進(jìn)化中不斷“試錯重組”，最終篩選出最優(yōu)版本；占基因組大頭的重復(fù)序列也并非“垃圾文件”，其中隱藏著小麥進(jìn)化的“生存智慧”，海量的遺傳變異素材使其能夠在氣候變化和病蟲害威脅中“見招拆招”。

　　給種子裝上“中國芯”

　　作為全球最重要的糧食作物，小麥年產(chǎn)量已接近8億噸，養(yǎng)活了全球35%以上的人口。隨著中國科研團(tuán)隊(duì)將完整基因組數(shù)據(jù)向全球開放共享，人類在馴化小麥一萬年后，終于真正讀懂了這位“老朋友”的生命密碼。

　　這項(xiàng)成果也被視為應(yīng)對糧食危機(jī)的“科技盾牌”。隨著全球氣候變化加劇，極端干旱、高溫和新型病原體頻發(fā)，小麥主產(chǎn)區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)壓力陡增。“完整基因組就像一套‘應(yīng)急預(yù)案庫’，我們可以快速找到讓小麥耐旱、耐鹽的基因組合，設(shè)計(jì)出適應(yīng)更惡劣環(huán)境的‘未來小麥’。”鄧興旺告訴記者，通過掌握雜交小麥技術(shù)制高點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)正在培育兼具抗病、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)特性的突破性新品種，目前已開發(fā)出20余項(xiàng)核心專利技術(shù)。

　　正如鄧興旺所言：“讀懂小麥的基因組，就握緊了糧食安全的命脈。”這場已持續(xù)數(shù)十年的“基因解碼戰(zhàn)”，不僅讓中國在國際農(nóng)業(yè)科技競爭中搶占先機(jī)，更讓“中國飯碗”裝“中國糧”的底氣更足。

　　（大眾新聞記者王佳聲 張蓓）

來源:大眾新聞·大眾日報(bào)

編輯:張萌 張興紅 李麗雪

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