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勇攀国际遗传学的“珠峰” 西农大专家参与破译世界首个六倍体小麦基因组图谱

2018-08-30 11:37:28来源:西安新闻网
  
  
  
  

  很少有人能想到,最日常不过的谷物小麦,近日因为其基因组图谱的发布,竟然成为全球关注的科技“网红”。这是怎么回事呢?

  《科学》杂志日前在线刊发题为“Shiftingthelimitsinwheatresearchandbreedingusingafullyannotatedreferencegenome”的研究论文,标志着世界首个六倍体小麦(普通小麦)基因组图谱完成。据介绍,这一成果由国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)牵头组织,20余个国家、70多家机构的200多位科学家,一共花费了13年时间。

  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,作为中国唯一参与并承担实质性研究工作的团队,完成了其中一个染色体——7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。

  为何小麦基因测序难?  基因组体量太庞大

  小麦是小麦系植物的统称,是单子叶植物,是一种在世界各地广泛种植的禾本科植物,是三大谷物之一,几乎全作食用,仅约有六分之一作为饲料使用。小麦富含淀粉、蛋白质、脂肪、矿物质、钙、铁、硫胺素、核黄素、烟酸、维生素A及维生素C等,中国是世界最早种植小麦的国家之一。

  破解小麦基因组图谱有什么意义?原来,小麦耐不耐旱、营养价值高不高等关键问题均和它密切相关。宋卫宁说,有了小麦的基因组图谱,小麦的育种、遗传研究就可以向前推进一大步。

  虽然小麦是世界各地最为广泛种植的谷物之一,但相较于其他作物,小麦是唯一一个尚未完成全基因组测序的物种。为何小麦的基因测序这么难?原因就是小麦基因组体量庞大,是人类基因组的5倍、水稻基因组的40倍,同时作为典型的异源多倍体基因组,重复序列极高。

  国际小麦基因组测序协会2005年成立,在60多个国家拥有会员。该机构执行主任凯利·埃弗索尔在一份声明中说,绘制小麦基因组图谱是许多人共同努力的结果,曾被视为“不可能完成的任务”。这种绘制参考序列的方法为今后大型、复杂的植物基因组测序工作提供范例,再次证明通过国际合作推进粮食安全的重要性。

  为了实现获得面包小麦的高质量基因组序列愿景,2005年开始,国际小麦基因组测序联盟将普通小麦品系“中国春”的21条染色体进行了分离,并构建了相应的细菌人工染色体文库,后续的物理图谱构建、细菌人工染色体测序和序列的组装与分析则由联盟各成员分担。

  在国外期间,宋卫宁就积极与国际小麦基因组测序联盟磋商;2006年2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,并成为联盟决策委员会唯一的中国成员。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RudiAppels教授应邀来西北农林科技大学访问;2009年,该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。

  据宋卫宁介绍,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,仅7DL染色体的大小等于整个水稻基因组;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。

  获得研究小麦密码本  培育高产新品种

  “参与的师生数量可以坐满一节车厢了。”接受记者采访时,宋卫宁笑着说。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7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。

  世界首个六倍体小麦基因组图谱完成,可以说是获得了研究小麦的一个密码本。用新加坡《南华早报》的评价,此项工作标志着征服了遗传学的“珠穆朗玛峰”,可以帮助科研人员更好地掌握小麦生长发育的规律。这个研究工作是国际大协作的结晶,论文作者有200多人,隶属20多个国家的70多个单位。宋卫宁团队不但负责了7DL染色体的分析工作,还参与了小麦全基因组两种不同物理图谱分析结果的整合。因此,宋卫宁教授的名字,在这篇科学杂志的论文作者名单中出现了两次。

  据悉,小麦基因组图谱的绘制完成,可帮助培育出抗旱、抗病和高产优质的小麦品种。国际小麦基因组测序协会指出,全球人口到2050年预计将达到96亿,小麦产量需每年增长1.6%才能满足未来需求,而这种增长必须主要通过改良作物性状而非增加种植面积来实现。

  “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。”宋卫宁教授对未来充满信心。(张 潇 李晓春)

责任编辑: 陈戍 关键字:勇攀国际遗传学的“珠峰”
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