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1. 破译小麦基因组 2002年，科学家破译了大米的基因组。2008年，他们完成了大豆基因组的工作。2009年，他们绘制了玉米的基因组图谱。而直到现在，期待已久的小麦基因组才完成了测序。这种延迟当然不是因为小麦不重要，小麦无疑是世界上最重要的农作物之一，它的种植面积比任何其他农作物都大。然而，小麦也有着科学所知的最复杂的基因组之一。 首先，小麦的基因组异常庞大。第一种完成测序的植物——拟南芥（Arabidopsis）的基因组包含1.35亿个核苷酸，人类基因组包含30亿个，小麦则有160亿个！仅小麦的一个3B染色体，就比整个大豆基因组更大。 ○ 染色体（左）和基因序列（右）示意图。| 图片来源：Wikipedia 更糟糕的是，小麦基因组实际上是三个基因组合而为一。大约50万年前，那时候人类还没有出现，两种野草杂交形成了我们今天所知的二粒小麦（emmer wheat），人工种植的二粒小麦也就是现在用来做意大利面的硬粒小麦（durum wheat）。在人类开始在田里种植二粒小麦以后，第三种杂草又偶然加入了这个混合体，产生了今天从制作面包到啤酒都要使用的普通小麦（common wheat）。这一段错综复杂的历史，使普通小麦具有了三组相似的染色体——分别来源于三种祖先杂草，每组都有7对。用技术术语来说，这是一个六倍体基因组。对于普通小麦的基因组测序来说，这则是一个巨大的烦恼，就像是穿行在密不透风的茂密丛林里，却没有一张地图。 ○ 普通小麦的基因组包含来自于三种祖先野草的各一组基因，因而一共有三组染色体。| 图片来源：Wikipedia 通常来说，遗传学家进行基因组测序时，会先将DNA切割为小的片段，对每个片段分别进行读取，然后将它们重新组合。然而，如果每个染色体出现六次，我们如何得知该将任意给定的片段放回到哪里呢？ 而且，小麦85%的DNA由重复序列组成，结果就是，即使知道一个片段对的正确对应的染色体，但要确定它在这条染色体上的确切位置仍然是一项繁重的工作。这就像是在玩一个巨大的拼图游戏，其中的图片将同一片蓝天重复描绘了三次。 在本周发表于《科学》杂志上的一篇论文中，由来自20个国家的科研工作者组成的团体——国际小麦基因组测序联盟（IWGSC），发表了一个名为“中国春”（Chinese Spring）的小麦品种的近乎完整的基因组数据，他们绘制了普通小麦21个染色体上、超过10.7万个基因的图谱。他们从2005年开始破译基因组，如今，已经过去了14年，花费研究经费约7500万美元。 ○ 小麦基因组测序的研究成果发表在本周的《科学》杂志上。| 图片来源：Science 团队的领导者Kellye Eversole说：“在过程当中，没有人知道事情的走向，我们最终完成了这项工作，这真是个奇迹。” 最近，加州大学戴维斯分校发现了调控小麦高度的基因的Jorge Dubcovsky说：“过去需要花费数年时间的事情，如今只需要一天就可以完成。这就像是拿着Google地图行走。” 出乎意料的是，由约翰·霍普金斯大学的Steven Salzberg带领的一个六人小组通过使用新的技术来读取长DNA序列，在去年发布了一版近乎完整的小麦基因组。然而，他们并没有描述基因，也没有确定基因在染色体上的位置。虽然Eversol对这个小组的成就表示赞赏，却发现这一版本“缺乏IWGSC的结果所蕴含的细节，而对育种者来说，这些细节正是关键之所在。” 2. 为增加小麦产量带来希望 经过上世纪六十年代的“绿色革命”，作物种植者极大地提高了小麦的产量。然而从那之后，由于小麦基因组的高度复杂性，导致想要通过传统育种和基因技术来提高产量的努力一直步履艰难。 Eversole指出：“玉米基因组测序对创造更好的玉米品种有很大的影响。”相反，小麦产量已经落后，而这种农作物的收益最近也下降了，这会带来严重的问题，因为据研究人员估计，到2050年，世界需要增加60%的小麦以养活激增的人口。 英国国家农业植物学研究所的Alison Bentley说：“无论你对以小麦为主的饮食有什么看法，都不能回避它在全球粮食安全中的重要性。”她认为，尽管过去人们在小麦育种方面取得了巨大进步，但如果有了小麦基因组研究的帮助，将会让一切都加速发展。 传统说来，创造新的小麦品种（比如能抵御严寒、抗真菌病害等）已经经历了很多次尝试与失败。在美国俄克拉何马州一个农场家庭长大的Eversole说：“我们通过小麦杂交把各种遗传物质结合起来，经过一整年漫长的育种过程，希望新的品种能具有正确的基因组合——这需要花好几年的时间。”然而，现在知道了完整的基因组，育种者就可以识别出隐藏在特定性状背后的基因，并确保这些基因存在于他们的作物中。她补充说：“这样做的目标是为育种者建造一个更好的工具箱，进而增加种植者的收益。” ○ 普通小麦。| 图片来源：Wikipedia 这其实已经成为了现实。该团队利用已经完成的基因组，识别出了长久以来令人难以捉摸的会影响小麦茎秆内部结构的基因（这个基因的名字是TraesCS3B01G608800）。如果植物有更多这个基因的拷贝，它们的茎秆就会是实心的而非中空的，这使得它们能对干旱和虫害更有抵抗力。通过使用基因诊断测试来清点基因，育种者如今可以高效地选择实心茎杆所需的基因了。 另外，五月的时候，英国John Innes中心（JIC）的植物遗传学家报告说，他们识别出了最初发现于大米中的、与谷粒尺寸相关的基因的多个拷贝，然后使用CRISPR基因编辑技术使小麦基因突变，从而让小麦的谷粒尺寸增加了20%。CRISPR是细菌中的一种DNA序列，含有曾经攻击过该细菌的病毒的基因片段，细菌利用这些基因片段来侦测、抵抗相同病毒的攻击，并摧毁其DNA。人类可以利用这些基因片段来准确高效地编辑生命体内的部分基因。 JIC的研究人员现在正参与创建IWGSC的数据，以记录植物生命周期中不同时间节点、不同组织中的基因活动。他们拍摄了850张记录信使RNA水平的快照，来衡量哪些基因在干旱、害虫攻击等情况下是活跃的，目标是追踪决定作物产量与其它性状的基因网络。 来自位于墨西哥的国际玉米和小麦改良中心的Ravi Singh说：“育种者想要从基因组研究中获还将益需要一些时间。然而，在我们自己的项目中，我们已经在利用这个资源来识别隐藏在作物产量、抗病、耐热与干旱、以及营养水平等性状背后的重要基因序列。” 3. 改变小麦的生命周期 IWGSC也开始研究，随着小麦的发芽与生长而逐渐启动的不同基因，以及这些活动模式在小麦基因组的三组染色体中如何变化。对于普遍种植的小麦品种，它们的种子必须在地下度过严寒的冬天才会在来年春天发芽。去年，植物遗传学家Antje Rohde报告说，她的团队已经找到与小麦发芽延迟有关的关键基因，他们希望通过CRISPR技术破坏这个基因，进而能缩短小麦的育种周期。 如果科学家能够知道如何在植物生命循环中的特定时间节点上开启特定基因，人们就有可能根据四季与环境的变化，实时地培育小麦。Bentley说：“这将是非常酷的事情。” 她唯一的告诫是，新的基因组来自一个不同寻常的小麦品种——“中国春”，没有多少种植者会认视它们为小麦。然而，作为许多早期小麦研究的基础，“中国春”在历史上扮演非常重要的角色。如今这个品种的基因组出来了，科学家要对更多作物品种进行测序，以及理解不同性状的遗传基础，将会变得容易很多。 4. 小麦蛋白过敏者的福音 研究人员或许还能够更容易地调和小麦的“阴暗面”。许多人对谷蛋白和其他小麦蛋白过敏，导致例如腹腔疾病、面包师哮喘、非腹腔小麦敏感等免疫系统紊乱。科学家已经设法识别了许多与之相关的特定蛋白质，“而在此之前（拥有基因组信息前），科学家都无法进一步确定编码这些蛋白质的基因。”挪威生命科学大学的Odd-Arne Olsen说道。如今，他的团队已经识别出了365个这样的基因，其中127个是科学上的新发现，另有222个虽然已知，但过去对它们的测序却是错误的。 这个团队还发现，在高温条件下生长的小麦会产生除了导致腹腔疾病之外的更多的过敏原，这意味着随着全球气候变暖，烘培食品可能变得更容易使人过敏。但也许通过理解过敏原背后的基因，育种者将能够遏制这种趋势，并创造出过敏原含量更少的小麦品种。 当然，事情不会如此简单。Olsen指出，导致小麦过敏的相同蛋白质也决定着面粉的烘焙品质。同样，Eversole也指出，包含更多蛋白质的小麦品种也倾向于产量更低。事情总是不能尽如人意，利弊需有所取舍，但团队希望完整的基因组将能更容易地指引他们去探索未知。 利用基因组的信息，育种者也可以用像CRISPR这样的基因编辑技术来迅速改变作物的性状。IWGSC通过识别影响花期的小麦基因，然后用CRISPR来改变基因，创造出比通常花期提前几天开花的小麦变种，证明了这种改变可以是多么容易。这些技术也能够被用来将优良性状从野生小麦品种转移到人工种植的品种。 进行这些改变的主要障碍是公众审批和监管制约。上个月，欧盟最高法院裁定，CRISPR编辑的作物被认为是转基因生物，尽管CRISPR过程中并不涉及从其他生命体引入基因。这种作物如今将面临漫长而昂贵的审批过程。Olsen说：“虽然有了知识，也有了工具，要实现仍然不容易。” 但毋庸置疑的是，科学家的努力，将使培育这种世界上最重要农作物的新品种变得更加容易。 |
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