中科院遗传发育团队合作开发小麦属全基因组遗传变异图谱，揭示小麦适应性进化关键机制

来源：植物科学最前沿

小麦是人类历史上最为成功的作物之一，它起源于新月沃地一个狭小的核心区域，在短短的一万年间，从地区性的野生植物迅速转变成为全球种植面积最广的作物，在多种多样的环境下为人类提供大量的碳水化合物和蛋白质。小麦对自然环境和人类粮食需求两方面同时成功适应的遗传机制尚不清楚，充分理解小麦适应性进化对气候变化条件下小麦遗传育种研究和稳定生产具有重要价值。

图1.本研究中的小麦样品的地理分布

2020年10月26日，中国科学院遗传与发育生物学研究所鲁非和焦雨铃团队合作在Nature Genetics在线发表了题为“Triticum population sequencing provides insights into wheat adaptation”的研究论文。该研究对小麦属和粗山羊草属的25个小麦近缘亚种共414份材料进行全基因组测序(图1)，构建了小麦属全基因组遗传变异图谱（VMap 1.0）。研究发现来自小麦近缘种的复合基因渗入贡献了小麦基因组的4%~32%，极大地增加了小麦的遗传多样性，使其在世界范围内具有广泛的环境适应性（图2）。同时，该研究还发现不同倍性、不同地域的小麦属品种，甚至整个禾本科作物，已经在长期的人工选择过程中在全基因组水平上产生了趋同进化的特征，在平行的选择事件中，共同受到选择的基因相对于随机条件下产生了2～16倍的富集，部分同源基因反复经历独立的人工选择，成为小麦在不同环境下塑造重要农艺性状、保持产量稳定的关键（图3）。

图2. 小麦属主要亚种遗传多样性变化及面包小麦遗传多样性恢复的模型

该研究在作物中首次实现了属内全基因组遗传变异挖掘，小麦属全基因组遗传变异图谱(VMap)将会对小麦遗传育种工作起到积极促进作用。研究结果一方面说明了增加作物遗传多样性对于应对气候变化威胁、保障粮食安全的重要意义；另一方面证明了进化限制对物种性状形成的重要影响，阐明了利用适应性进化基因进行跨物种遗传研究的巨大潜力，为加速小麦和其他作物的遗传改良提供了全新的思路。

图3. 人工选择使小麦在全基因组水平上产生了趋同进化的特征

该研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所鲁非研究组和焦雨铃研究组合作完成。鲁非课题组博士生赵学博和已出站博士后周姚为共同第一作者。该研究得到了中科院植物所郭亚龙研究员，遗传所刘志勇研究员、郑树松副研究员、张相岐研究员和傅向东研究员，加州大学欧文分校周永锋博士，以及国际马铃薯研究中心Philip Kear博士的建议和帮助。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项种子精准设计与创造，国家自然科学基金和博士后科学基金项目的资助。