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河南农大绘制黑麦基因组高质量精细物理图谱 画出粮食作物抗逆改良“导航图”

来源:河南日报 时间:2021-04-07

有了这份图谱,未来有望更加高效地培育出拥有高产、抗病、抗寒等优秀性状的小麦新品种。

近日,河南农业大学联合国内多所大学以及科研单位绘制出了目前世界上二倍体粮食作物中最复杂的黑麦基因组的高质量精细物理图谱,成果发表于最新一期的国际著名学术期刊《自然·遗传学》(NatureGenetics)。

“这项基础研究成果解决了国际小麦研究领域长期悬而未决的一个难题,是我国为世界农作物研究作出的新贡献。”4月6日,中国工程院院士、河南农业大学校长张改平表示,这是国际作物科学界首次完成对黑麦基因组精细物理图谱的构建,对麦类等作物遗传改良具有重要的指导作用。

为什么要绘制黑麦基因组图谱?

黑麦是什么?通俗地讲,它是小麦的“堂兄弟”。

“从‘血缘’上讲,黑麦与小麦的关系,比大麦与小麦的关系还近,目前中国大约50%的小麦品种,都携带有黑麦的染色体片段和基因。”论文共同通讯作者、河南农业大学农学院院长王道文介绍。

黑麦虽然不像小麦这位“高富帅”那样风光无限,却凭着抗寒、抗病、耐旱等多种独特抗逆能力,在自然条件恶劣地区显示出强大的生存能力,在“麦子家族”中拥有了一席之地。

“在海拔3000米以上的高寒地区,小麦基本无法收获,但黑麦亩产仍然能达200斤以上。它还可以作为牧草,给土壤贫瘠地区带来可观的生态效益和经济效益。”王道文说,这些优秀品质让黑麦备受农学家的青睐。

上世纪50年代,我国科学家开始对黑麦进行研究。中国科学院院士鲍文奎于上世纪70年代育成了八倍体小黑麦。这种小黑麦在西南、西北高寒瘠薄山区得到推广。

然而,迄今为止黑麦遗传资源优势尚未得到最大限度的发挥,其中一个原因,就是黑麦基因组精细图谱的组装未完成,育种家往往是“知其然而不知其所以然”。只有从基因组层面对黑麦进行解析才能探索出黑麦更多的基因密码,应用到育种工作中,培育出更优秀的麦类作物新品种。

“成功构建黑麦基因组高质量精细物理图谱,如同为粮食作物抗逆改良研究提供了一张‘导航图’。”王道文比喻道,“我们可以根据对待培育品种的性状与功能需求,直接找到相应的黑麦基因加以转移和利用。”

图谱将为小麦研究带来什么?

这份黑麦基因组高质量精细物理图谱,最显著的特点是“高质量”和“精细”。

“相对于其他二倍体麦类,黑麦基因组更加复杂,其大小是玉米的4倍、水稻的25倍。将其完整解析后,科学家们可以迅速在80亿个碱基中找到所需要的特定结点。”论文共同通讯作者、河南农业大学农学院特聘教授杨建平说,这就如同“在南美热带雨林中迅速定位到一片叶子”。

在这张“导航图”的指引下,通向黑麦基因“宝库”的路径清晰呈现,可以和许多育种家正在进行的工作实现“无缝对接”。

“这份基因图谱将极大提升小麦育种工作的精确度和效率。”杨建平告诉记者,“比如说,我国推广面积最大的小麦品种‘矮抗58’,体内有2000多个基因来自黑麦。有了‘导航图’,育种专家就可以对其进行精准优化,删除对品质不利的基因片段,让‘矮抗58’的整体表现更上一层楼。”

“目前小麦的种植范围,还受到诸多地域环境条件的限制,在基因导航的支持下,育种专家可以更好地将黑麦抗高寒、耐瘠薄等特性‘转移’给小麦。”杨建平说,就像袁隆平培育出“海水稻”一样,不久的未来,育种家们也有望培育出性能优异的“高原小麦”“戈壁小麦”。

这次协同创新有哪些示范意义?

“这份基因组图谱的成功绘制,既是河南农业科研力量在基础研究领域的一次集中展现,也是国内外科研单位协同创新的一次典范合作。”河南农业大学农学院党委书记郭战伟的话语中充满了自豪。

一直以来,河南农业大学将补齐我省基础科研“短板”视为重要目标,把目光瞄准这一国际作物基因组学和小麦研究领域的重大问题,开启科研协同创新攻关。

“完成项目的整个过程,就像建一幢摩天大楼。”论文共同第一作者李广伟介绍,该项目2016年启动,历时4年,河南农大作为项目牵头方,担任了“工程组织者”“设计师”和“主体施工者”的角色;四川农业大学为项目提供了最可靠的研究材料“威宁黑麦”;北京大学为黑麦基因组进行了精准的转录组和基因表达分析;百迈客生物科技公司为项目信息分析提供了高通量测序和大数据运算支撑……

“黑麦基因组精细图谱绘制的背后,是我省乃至全国农业领域科研创新人才团队、平台装备和技术实力快速增长的体现。”郭战伟表示,这是一次“从0到1”的突破。至此,河南不仅是国内小麦种植大省、小麦育种强省,也在小麦基础研究领域达到了国际一流水平。

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