宋衛(wèi)寧（右）在培養(yǎng)間觀察小麥幼苗長(zhǎng)勢(shì)。資料圖

編者按：近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)在基因組學(xué)領(lǐng)域國(guó)際知名期刊《GenomeBiology》上發(fā)表論文，發(fā)布了小麥7DL基因組改善和比較基因組研究成果，為前期小麥基因組測(cè)序結(jié)果填補(bǔ)了“縫隙”，進(jìn)一步提高了小麥基因組圖譜的完整性。

就在一年之前，美國(guó)《科學(xué)》雜志載文稱世界上首個(gè)六倍體小麥基因組圖譜完成。歷時(shí)13年，由國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟（IWGSC）牽頭，來(lái)自20多個(gè)國(guó)家70多家機(jī)構(gòu)的200多位科學(xué)家參與完成的這一科研成果轟動(dòng)世界。其中，作為中國(guó)唯一參與并承擔(dān)實(shí)質(zhì)性研究工作的團(tuán)隊(duì)，宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)完成了其中7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作，為世界小麥基因組測(cè)序做出了貢獻(xiàn)。

小麥、水稻、玉米是世界上最重要的三大糧食作物。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，隨著基因組學(xué)的快速發(fā)展，水稻和玉米的基因組相繼被世界各國(guó)破譯，極大地推動(dòng)了這兩大作物的基礎(chǔ)和分子育種研究。此時(shí)相較于其他主要農(nóng)作物，小麥?zhǔn)俏ㄒ灰粋€(gè)尚未完成全基因組測(cè)序的物種。

小麥?zhǔn)鞘澜缟峡偖a(chǎn)量第二的糧食作物，世界上約40%的人口以小麥為主要食糧。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）估計(jì)，到2050年，全球人口將增至96億，因此小麥產(chǎn)量需要增加60%才能養(yǎng)活這么多人口。

由此，結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)小麥成為我國(guó)和全球小麥育種工作者的共同命題和期盼。但是，小麥基因組的滯后大大限制了小麥生物技術(shù)育種的發(fā)展。英法澳美等國(guó)科學(xué)家于2005年發(fā)起并成立了國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟，號(hào)召并組織全世界科學(xué)家協(xié)作開(kāi)展小麥基因組測(cè)序。

在國(guó)外期間，西北農(nóng)林科技大學(xué)教授宋衛(wèi)寧就積極與國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟磋商，2006年3月全職來(lái)到西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院工作后，同年7月正式加入該聯(lián)盟，并隨后成為聯(lián)盟決策委員會(huì)唯一的中國(guó)成員。

一項(xiàng)被公認(rèn)“不可能完成的任務(wù)”

“長(zhǎng)期以來(lái)，破譯小麥基因組被很多領(lǐng)域的科學(xué)家認(rèn)為是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。”宋衛(wèi)寧教授告訴記者：“這是因?yàn)樾←溁蚪M十分復(fù)雜又特殊，龐大基因組成為測(cè)序最大難關(guān)。”

小麥基因?yàn)槭裁催@么復(fù)雜？這與小麥的“身世”有關(guān)。普通小麥?zhǔn)怯勺嫦纫吧囊涣Ｐ←湥趵瓲枅D小麥，含AA基因組）與擬斯卑爾托山羊草（含BB基因組）雜交形成四倍體野生二粒小麥（含有AABB基因組）。在大約8000年以前，亞洲西部肥沃新月地帶，四倍體小麥又和野生粗山羊草（含有DD基因組）自發(fā)雜交進(jìn)而產(chǎn)生了六倍體小麥（含有AABBDD基因組）。

小麥基因有多大？宋衛(wèi)寧教授告訴記者，小麥基因組大小是人類基因組的6倍，是水稻基因組的40倍。有多復(fù)雜？3個(gè)不同的基因組綁在一起、幾個(gè)不同的物種相互雜交，其復(fù)雜程度不是簡(jiǎn)單的成倍，3個(gè)基因組中大概90%多是相似的，僅小部分是不同的。重復(fù)序列含量有多高？人的基因組大概有50%是重復(fù)序列，而小麥差不多達(dá)到90%。“如此龐大、復(fù)雜、重復(fù)序列高的基因組破譯極具挑戰(zhàn)性，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室或一個(gè)國(guó)家沒(méi)辦法完成的，這也就是為什么小麥全基因測(cè)序困難重重。”

雖然困難重重，但是這些執(zhí)著的小麥科學(xué)家們還是堅(jiān)定地走上了小麥基因測(cè)序這條路，通過(guò)開(kāi)展廣泛的國(guó)際協(xié)作，攻克這一“不可能完成的任務(wù)”。

在全球聯(lián)合攻關(guān)中彰顯中國(guó)智慧

“在此次小麥基因測(cè)序全球聯(lián)合攻關(guān)中，有一個(gè)很重要的細(xì)節(jié)，那就是測(cè)序所選用的材料是一個(gè)名叫‘中國(guó)春’的品種。這是來(lái)自中國(guó)的地方小麥品種，這也是為什么我們?cè)诶щy重重的情況下仍然堅(jiān)持參與攻關(guān)。試想全世界小麥科學(xué)家采用來(lái)自中國(guó)的材料做出一項(xiàng)輝煌的成就，如果沒(méi)有中國(guó)團(tuán)隊(duì)的參與，那將是一件非常尷尬的事情。”宋衛(wèi)寧教授說(shuō)。

這項(xiàng)國(guó)際性大協(xié)作研究工作，為何特別選用極富中國(guó)色彩的“中國(guó)春”品種？據(jù)宋衛(wèi)寧介紹，“中國(guó)春”是種植在四川省成都平原的一個(gè)地方小麥品種。早在20世紀(jì)初，由傳教士傳入西方，20世紀(jì)四五十年代，美國(guó)著名學(xué)者西爾斯通過(guò)研究，從“中國(guó)春”衍生出一系列小麥染色體材料。于是，“中國(guó)春”成為小麥遺傳學(xué)最重要的遺傳材料和工具，促進(jìn)了小麥細(xì)胞遺傳學(xué)的大發(fā)展，同時(shí)也直接推動(dòng)了黑麥、大麥、燕麥等其他近緣物種的遺傳研究。

聯(lián)盟的科學(xué)家們對(duì)“中國(guó)春”的21條染色體進(jìn)行了分離，聯(lián)盟各成員分別承擔(dān)了相關(guān)物理圖譜構(gòu)建、細(xì)菌人工染色體測(cè)序和序列的組裝與分析等工作。宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)作為中國(guó)唯一參與并承擔(dān)實(shí)質(zhì)性研究工作的團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了其中7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作。

2008年，小麥3B染色體物理圖譜完成后，國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟主席RudiAp?pels教授應(yīng)邀來(lái)西北農(nóng)林科技大學(xué)訪問(wèn)，進(jìn)一步深化合作交流。次年，在時(shí)任校長(zhǎng)孫武學(xué)、副校長(zhǎng)吳普特和其他校領(lǐng)導(dǎo)的支持下，學(xué)校為宋衛(wèi)寧團(tuán)隊(duì)提供了500萬(wàn)元科研經(jīng)費(fèi)，購(gòu)買測(cè)序儀等大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建設(shè)小麥基因組學(xué)科研平臺(tái)，支持其團(tuán)隊(duì)開(kāi)展小麥7DL染色體物理圖譜構(gòu)建工作。

宋衛(wèi)寧介紹說(shuō)，小麥7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作是一個(gè)全新的探索，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循，7DL染色體的大小相當(dāng)于整個(gè)水稻基因組，但物理圖譜構(gòu)建及序列組裝、分析和破譯的工作量，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)相應(yīng)的水稻基因組。“我們實(shí)驗(yàn)室做了這么多年，參與過(guò)的師生數(shù)量恐怕可以坐滿火車的一節(jié)車廂了。”他笑著說(shuō)。在此過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員基本沒(méi)有節(jié)假日、沒(méi)有寒暑假的概念，全力投入海量數(shù)據(jù)的測(cè)序和破譯工作，付出了極大的代價(jià)，經(jīng)費(fèi)負(fù)數(shù)的時(shí)候，無(wú)奈向?qū)W校借了100多萬(wàn)元，走錯(cuò)了路重新再來(lái)的現(xiàn)象更是時(shí)有發(fā)生。但宋衛(wèi)寧團(tuán)隊(duì)頂住巨大的壓力，始終堅(jiān)持不懈，先后爭(zhēng)取到國(guó)家“863”和其他項(xiàng)目的支持，沿著當(dāng)初確定的目標(biāo)持續(xù)發(fā)力。“十年磨一劍”，經(jīng)過(guò)近10年的不懈努力，終于完成了小麥7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作。

十三年苦戰(zhàn) 征服遺傳學(xué)“珠穆朗瑪峰”

2018年8月17日，美國(guó)《科學(xué)》雜志載文稱世界上首個(gè)六倍體小麥基因組圖譜完成。這一歷時(shí)13年，來(lái)自20多個(gè)國(guó)家70多家機(jī)構(gòu)的200多位科學(xué)家參與完成的這一科研成果轟動(dòng)世界。國(guó)際小麥基因組測(cè)序聯(lián)盟主席、澳大利亞墨爾本大學(xué)小麥育種專家RudiAppels評(píng)價(jià)該研究是“征服了遺傳學(xué)的‘珠穆朗瑪峰’！”

宋衛(wèi)寧告訴記者，就像破解人類基因密碼一樣，有了小麥的基因組圖譜，小麥的育種、遺傳研究就能向前推進(jìn)一大步。這項(xiàng)“里程碑”工作為培育產(chǎn)量更高、營(yíng)養(yǎng)更豐富、氣候適應(yīng)性更強(qiáng)的小麥品種奠定基礎(chǔ)。

據(jù)了解，有了基因組序列，就可開(kāi)發(fā)大量分子標(biāo)記，對(duì)重要農(nóng)藝性狀基因進(jìn)行全方位鑒定。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有了基因組序列，也就等于手中有了一張?jiān)敿?xì)的基因位點(diǎn)地圖。根據(jù)地圖，研究人員就可以很容易、快速、精準(zhǔn)地找出控制某個(gè)性狀的目標(biāo)基因，并鑒定出它的優(yōu)異等位變異。

通過(guò)了解所有基因的位置，現(xiàn)在，研究人員就有可能進(jìn)一步了解這些基因之間如何協(xié)同工作，以控制諸如抗旱性、增加營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和高產(chǎn)等性狀。結(jié)合使用基因編輯技術(shù)，研究人員可以更快更精確地添加他們需要的特征。

推動(dòng)小麥參考基因組 由V1.0升級(jí)到V2.0

在去年8月世界上首個(gè)六倍體小麥參考基因組發(fā)布之后，宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)沒(méi)有片刻停留便又投入到新的科研工作中。“大多數(shù)現(xiàn)有的植物基因組的組裝都存在許多‘縫隙’，獲得完整的基因組仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于重復(fù)序列高、基因組龐大的復(fù)雜基因組。小麥參考基因組序列同樣存在大量的‘縫隙’，比如在7D染色體長(zhǎng)臂就發(fā)現(xiàn)了12114個(gè)‘縫隙’，總長(zhǎng)度約5.7Mb。”

經(jīng)過(guò)一年的努力，宋衛(wèi)寧教授團(tuán)隊(duì)在小麥7DL的組裝基礎(chǔ)上，填補(bǔ)了超過(guò)66%的gap序列，顯著提高了小麥7DL染色體組裝的完整性。并和其祖先種粗山羊草進(jìn)行了比較基因組分析，以7DL為視角揭示了小麥的馴化過(guò)程中基因組結(jié)構(gòu)和序列層面的變化，為解析小麥基因組的演化及其遺傳改良提供了重要的數(shù)據(jù)參考。在整個(gè)國(guó)際小麥測(cè)序聯(lián)盟中，宋衛(wèi)寧教授實(shí)驗(yàn)室是首個(gè)把基因組序列V1.0版改進(jìn)為V2.0版的團(tuán)隊(duì)，不但填補(bǔ)了龐大數(shù)量的序列“縫隙”，同時(shí)還完成了深度的比較基因組分析，走在全聯(lián)盟的前列。

“7DL染色體的序列改進(jìn)是小麥參考基因組V1.0后的繼續(xù)和完善，可為升級(jí)版的小麥參考基因組V2.0提供參照。”據(jù)宋衛(wèi)寧教授介紹，這將使得小麥基因組的序列注釋、SNP calling、單倍型分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析等更加準(zhǔn)確。

“未來(lái)，我們還將繼續(xù)開(kāi)展序列分析工作，將小麥基因組的進(jìn)化、序列與分子育種、遺傳育種結(jié)合起來(lái)，培育高產(chǎn)、抗旱、抗鹽、抗病蟲(chóng)的小麥新品種，更好應(yīng)對(duì)全球氣候變化及人口膨脹帶來(lái)的食品短缺的挑戰(zhàn)，為小麥基因組改良工作奠定基礎(chǔ)。”宋衛(wèi)寧教授說(shuō)。