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为破译小麦基因密码贡献中国智慧——记西北农林科技大学宋卫宁教授团队

放大字体  缩小字体 时间:2019-08-27 09:35 来源:农民日报 作者: 胡明宝   原文:
核心提示:近日,西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室宋卫宁教授团队在基因组学领域国际知名期刊《GenomeBiology》上发表论文,发布了小麦7DL基因组改善和比较基因组研究成果,为前期小麦基因组测序结果填补了“缝隙”,进一步提高了小麦基因组图谱的完整性。
  编者按:近日,西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室宋卫宁教授团队在基因组学领域国际知名期刊《GenomeBiology》上发表论文,发布了小麦7DL基因组改善和比较基因组研究成果,为前期小麦基因组测序结果填补了“缝隙”,进一步提高了小麦基因组图谱的完整性。

  就在一年之前,美国《科学》杂志载文称世界上首个六倍体小麦基因组图谱完成。历时13年,由国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)牵头,来自20多个国家70多家机构的200多位科学家参与完成的这一科研成果轰动世界。其中,作为中国唯一参与并承担实质性研究工作的团队,宋卫宁教授团队完成了其中7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作,为世界小麦基因组测序做出了贡献。

  小麦、水稻、玉米是世界上最重要的三大粮食作物。进入本世纪以来,随着基因组学的快速发展,水稻和玉米的基因组相继被世界各国破译,极大地推动了这两大作物的基础和分子育种研究。此时相较于其他主要农作物,小麦是唯一一个尚未完成全基因组测序的物种。

  小麦是世界上总产量第二的粮食作物,世界上约40%的人口以小麦为主要食粮。据联合国粮食及农业组织(FAO)估计,到2050年,全球人口将增至96亿,因此小麦产量需要增加60%才能养活这么多人口。

  由此,结合现代生物技术培育高产、优质小麦成为我国和全球小麦育种工作者的共同命题和期盼。但是,小麦基因组的滞后大大限制了小麦生物技术育种的发展。英法澳美等国科学家于2005年发起并成立了国际小麦基因组测序联盟,号召并组织全世界科学家协作开展小麦基因组测序。

  在国外期间,西北农林科技大学教授宋卫宁就积极与国际小麦基因组测序联盟磋商,2006年3月全职来到西北农林科技大学农学院工作后,同年7月正式加入该联盟,并随后成为联盟决策委员会唯一的中国成员。

  一项被公认“不可能完成的任务”

  “长期以来,破译小麦基因组被很多领域的科学家认为是一项不可能完成的任务。”宋卫宁教授告诉记者:“这是因为小麦基因组十分复杂又特殊,庞大基因组成为测序最大难关。”

  小麦基因为什么这么复杂?这与小麦的“身世”有关。普通小麦是由祖先野生的一粒小麦(乌拉尔图小麦,含AA基因组)与拟斯卑尔托山羊草(含BB基因组)杂交形成四倍体野生二粒小麦(含有AABB基因组)。在大约8000年以前,亚洲西部肥沃新月地带,四倍体小麦又和野生粗山羊草(含有DD基因组)自发杂交进而产生了六倍体小麦(含有AABBDD基因组)。

  小麦基因有多大?宋卫宁教授告诉记者,小麦基因组大小是人类基因组的6倍,是水稻基因组的40倍。有多复杂?3个不同的基因组绑在一起、几个不同的物种相互杂交,其复杂程度不是简单的成倍,3个基因组中大概90%多是相似的,仅小部分是不同的。重复序列含量有多高?人的基因组大概有50%是重复序列,而小麦差不多达到90%。“如此庞大、复杂、重复序列高的基因组破译极具挑战性,是一个实验室或一个国家没办法完成的,这也就是为什么小麦全基因测序困难重重。”

  虽然困难重重,但是这些执着的小麦科学家们还是坚定地走上了小麦基因测序这条路,通过开展广泛的国际协作,攻克这一“不可能完成的任务”。

  在全球联合攻关中彰显中国智慧

  “在此次小麦基因测序全球联合攻关中,有一个很重要的细节,那就是测序所选用的材料是一个名叫‘中国春’的品种。这是来自中国的地方小麦品种,这也是为什么我们在困难重重的情况下仍然坚持参与攻关。试想全世界小麦科学家采用来自中国的材料做出一项辉煌的成就,如果没有中国团队的参与,那将是一件非常尴尬的事情。”宋卫宁教授说。

  这项国际性大协作研究工作,为何特别选用极富中国色彩的“中国春”品种?据宋卫宁介绍,“中国春”是种植在四川省成都平原的一个地方小麦品种。早在20世纪初,由传教士传入西方,20世纪四五十年代,美国著名学者西尔斯通过研究,从“中国春”衍生出一系列小麦染色体材料。于是,“中国春”成为小麦遗传学最重要的遗传材料和工具,促进了小麦细胞遗传学的大发展,同时也直接推动了黑麦、大麦、燕麦等其他近缘物种的遗传研究。

  联盟的科学家们对“中国春”的21条染色体进行了分离,联盟各成员分别承担了相关物理图谱构建、细菌人工染色体测序和序列的组装与分析等工作。宋卫宁教授团队作为中国唯一参与并承担实质性研究工作的团队,承担了其中7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。

  2008年,小麦3B染色体物理图谱完成后,国际小麦基因组测序联盟主席RudiAp?pels教授应邀来西北农林科技大学访问,进一步深化合作交流。次年,在时任校长孙武学、副校长吴普特和其他校领导的支持下,学校为宋卫宁团队提供了500万元科研经费,购买测序仪等大型实验设备,建设小麦基因组学科研平台,支持其团队开展小麦7DL染色体物理图谱构建工作。

  宋卫宁介绍说,小麦7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作是一个全新的探索,没有经验可循,7DL染色体的大小相当于整个水稻基因组,但物理图谱构建及序列组装、分析和破译的工作量,要远远超过相应的水稻基因组。“我们实验室做了这么多年,参与过的师生数量恐怕可以坐满火车的一节车厢了。”他笑着说。在此过程中,团队成员基本没有节假日、没有寒暑假的概念,全力投入海量数据的测序和破译工作,付出了极大的代价,经费负数的时候,无奈向学校借了100多万元,走错了路重新再来的现象更是时有发生。但宋卫宁团队顶住巨大的压力,始终坚持不懈,先后争取到国家“863”和其他项目的支持,沿着当初确定的目标持续发力。“十年磨一剑”,经过近10年的不懈努力,终于完成了小麦7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。

  十三年苦战 征服遗传学“珠穆朗玛峰”

  2018年8月17日,美国《科学》杂志载文称世界上首个六倍体小麦基因组图谱完成。这一历时13年,来自20多个国家70多家机构的200多位科学家参与完成的这一科研成果轰动世界。国际小麦基因组测序联盟主席、澳大利亚墨尔本大学小麦育种专家RudiAppels评价该研究是“征服了遗传学的‘珠穆朗玛峰’!”

  宋卫宁告诉记者,就像破解人类基因密码一样,有了小麦的基因组图谱,小麦的育种、遗传研究就能向前推进一大步。这项“里程碑”工作为培育产量更高、营养更丰富、气候适应性更强的小麦品种奠定基础。

  据了解,有了基因组序列,就可开发大量分子标记,对重要农艺性状基因进行全方位鉴定。简单来说,有了基因组序列,也就等于手中有了一张详细的基因位点地图。根据地图,研究人员就可以很容易、快速、精准地找出控制某个性状的目标基因,并鉴定出它的优异等位变异。

  通过了解所有基因的位置,现在,研究人员就有可能进一步了解这些基因之间如何协同工作,以控制诸如抗旱性、增加营养价值和高产等性状。结合使用基因编辑技术,研究人员可以更快更精确地添加他们需要的特征。

  推动小麦参考基因组 由V1。0升级到V2。0

  在去年8月世界上首个六倍体小麦参考基因组发布之后,宋卫宁教授团队没有片刻停留便又投入到新的科研工作中。“大多数现有的植物基因组的组装都存在许多‘缝隙’,获得完整的基因组仍然是一个挑战,尤其对于重复序列高、基因组庞大的复杂基因组。小麦参考基因组序列同样存在大量的‘缝隙’,比如在7D染色体长臂就发现了12114个‘缝隙’,总长度约5.7Mb。”

  经过一年的努力,宋卫宁教授团队在小麦7DL的组装基础上,填补了超过66%的gap序列,显著提高了小麦7DL染色体组装的完整性。并和其祖先种粗山羊草进行了比较基因组分析,以7DL为视角揭示了小麦的驯化过程中基因组结构和序列层面的变化,为解析小麦基因组的演化及其遗传改良提供了重要的数据参考。在整个国际小麦测序联盟中,宋卫宁教授实验室是首个把基因组序列V1.0版改进为V2.0版的团队,不但填补了庞大数量的序列“缝隙”,同时还完成了深度的比较基因组分析,走在全联盟的前列。

  “7DL染色体的序列改进是小麦参考基因组V1.0后的继续和完善,可为升级版的小麦参考基因组V2.0提供参照。”据宋卫宁教授介绍,这将使得小麦基因组的序列注释、SNP calling、单倍型分析和全基因组关联分析等更加准确。

  “未来,我们还将继续开展序列分析工作,将小麦基因组的进化、序列与分子育种、遗传育种结合起来,培育高产、抗旱、抗盐、抗病虫的小麦新品种,更好应对全球气候变化及人口膨胀带来的食品短缺的挑战,为小麦基因组改良工作奠定基础。”宋卫宁教授说。
日期:2019-08-27
 
 地区: 中国
 行业: 食品检测 粮油
 标签: 中国 实验 生物 小麦 基因
 
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