——記西北農(nóng)林科技大學(xué)宋衛(wèi)寧教授團隊
2019-09-02 11:22:00
宋衛(wèi)寧（右）在培養(yǎng)間觀察小麥幼苗長勢。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)國家重點實驗室宋衛(wèi)寧教授團隊在基因組學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊《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序結(jié)果填補了“縫隙”，進一步提高了小麥基因組圖譜的完整性。
就在一年之前，美國《科學(xué)》雜志載文稱世界上首個六倍體小麥基因組圖譜完成。歷時13年，由國際小麥基因組測序聯(lián)盟（IWGSC）牽頭，來自20多個國家70多家機構(gòu)的200多位科學(xué)家參與完成的這一科研成果轟動世界。其中，作為中國唯一參與并承擔(dān)實質(zhì)性研究工作的團隊，宋衛(wèi)寧教授團隊完成了其中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序做出了貢獻。
小麥、水稻、玉米是世界上最重要的三大糧食作物。進入本世紀以來，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破譯，極大地推動了這兩大作物的基礎(chǔ)和分子育種研究。此時相較于其他主要農(nóng)作物，小麥是唯一一個尚未完成全基因組測序的物種。
小麥是世界上總產(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)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）估計，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。英法澳美等國科學(xué)家于2005年發(fā)起并成立了國際小麥基因組測序聯(lián)盟，號召并組織全世界科學(xué)家協(xié)作開展小麥基因組測序。
在國外期間，西北農(nóng)林科技大學(xué)教授宋衛(wèi)寧就積極與國際小麥基因組測序聯(lián)盟磋商，2006年3月全職來到西北農(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)盟決策委員會唯一的中國成員。
一項被公認“不可能完成的任務(wù)”
“長期以來，破譯小麥基因組被很多領(lǐng)域的科學(xué)家認為是一項不可能完成的任務(wù)。”宋衛(wèi)寧教授告訴記者：“這是因為小麥基因組十分復(fù)雜又特殊，龐大基因組成為測序最大難關(guān)。”
小麥基因為什么這么復(fù)雜？這與小麥的“身世”有關(guān)。普通小麥是由祖先野生的一粒小麥（烏拉爾圖小麥，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個不同的基因組綁在一起、幾個不同的物種相互雜交，其復(fù)雜程度不是簡單的成倍，3個基因組中大概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，是一個實驗室或一個國家沒辦法完成的，這也就是為什么小麥全基因測序困難重重。”
雖然困難重重，但是這些執(zhí)著的小麥科學(xué)家們還是堅定地走上了小麥基因測序這條路，通過開展廣泛的國際協(xié)作，攻克這一“不可能完成的任務(wù)”。
在全球聯(lián)合攻關(guān)中彰顯中國智慧
“在此次小麥基因測序全球聯(lián)合攻關(guān)中，有一個很重要的細節(jié)，那就是測序所選用的材料是一個名叫‘中國春’的品種。這是來自中國的地方小麥品種，這也是為什么我們在困難重重的情況下仍然堅持參與攻關(guān)。試想全世界小麥科學(xué)家采用來自中國的材料做出一項輝煌的成就，如果沒有中國團隊的參與，那將是一件非常尷尬的事情。”宋衛(wèi)寧教授說。
這項國際性大協(xié)作研究工作，為何特別選用極富中國色彩的“中國春”品種？據(jù)宋衛(wèi)寧介紹，“中國春”是種植在四川省成都平原的一個地方小麥品種。早在20世紀初，由傳教士傳入西方，20世紀四五十年代，美國著名學(xué)者西爾斯通過研究，從“中國春”衍生出一系列小麥染色體材料。于是，“中國春”成為小麥遺傳學(xué)最重要的遺傳材料和工具，促進了小麥細胞遺傳學(xué)的大發(fā)展，同時也直接推動了黑麥、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“中國春”的21條染色體進行了分離，聯(lián)盟各成員分別承擔(dān)了相關(guān)物理圖譜構(gòu)建、細菌人工染色體測序和序列的組裝與分析等工作。宋衛(wèi)寧教授團隊作為中國唯一參與并承擔(dān)實質(zhì)性研究工作的團隊，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，國際小麥基因組測序聯(lián)盟主席RudiAp?pels教授應(yīng)邀來西北農(nóng)林科技大學(xué)訪問，進一步深化合作交流。次年，在時任校長孫武學(xué)、副校長吳普特和其他校領(lǐng)導(dǎo)的支持下，學(xué)校為宋衛(wèi)寧團隊提供了500萬元科研經(jīng)費，購買測序儀等大型實驗設(shè)備，建設(shè)小麥基因組學(xué)科研平臺，支持其團隊開展小麥7DL染色體物理圖譜構(gòu)建工作。
宋衛(wèi)寧介紹說，小麥7DL染色體物理圖譜構(gòu)建及序列破譯工作是一個全新的探索，沒有經(jīng)驗可循，7DL染色體的大小相當(dāng)于整個水稻基因組，但物理圖譜構(gòu)建及序列組裝、分析和破譯的工作量，要遠遠超過相應(yīng)的水稻基因組。“我們實驗室做了這么多年，參與過的師生數(shù)量恐怕可以坐滿火車的一節(jié)車廂了。”他笑著說。在此過程中，團隊成員基本沒有節(jié)假日、沒有寒暑假的概念，全力投入海量數(shù)據(jù)的測序和破譯工作，付出了極大的代價，經(jīng)費負數(shù)的時候，無奈向?qū)W校借了100多萬元，走錯了路重新再來的現(xiàn)象更是時有發(fā)生。但宋衛(wèi)寧團隊頂住巨大的壓力，始終堅持不懈，先后爭取到國家“863”和其他項目的支持，沿著當(dāng)初確定的目標持續(xù)發(fā)力。“十年磨一劍”，經(jīng)過近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《科學(xué)》雜志載文稱世界上首個六倍體小麥基因組圖譜完成。這一歷時13年，來自20多個國家70多家機構(gòu)的200多位科學(xué)家參與完成的這一科研成果轟動世界。國際小麥基因組測序聯(lián)盟主席、澳大利亞墨爾本大學(xué)小麥育種專家RudiAppels評價該研究是“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一大步。這項“里程碑”工作為培育產(chǎn)量更高、營養(yǎng)更豐富、氣候適應(yīng)性更強的小麥品種奠定基礎(chǔ)。
據(jù)了解，有了基因組序列，就可開發(fā)大量分子標記，對重要農(nóng)藝性狀基因進行全方位鑒定。簡單來說，有了基因組序列，也就等于手中有了一張詳細的基因位點地圖。根據(jù)地圖，研究人員就可以很容易、快速、精準地找出控制某個性狀的目標基因，并鑒定出它的優(yōu)異等位變異。
通過了解所有基因的位置，現(xiàn)在，研究人員就有可能進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、增加營養(yǎng)價值和高產(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。
推動小麥參考基因組 由V1.0升級到V2.0
在去年8月世界上首個六倍體小麥參考基因組發(fā)布之后，宋衛(wèi)寧教授團隊沒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挑戰(zhàn)，尤其對于重復(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染色體長臂就發(fā)現(xiàn)了12114個‘縫隙’，總長度約5.7Mb。”
經(jīng)過一年的努力，宋衛(wèi)寧教授團隊在小麥7DL的組裝基礎(chǔ)上，填補了超過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行了比較基因組分析，以7DL為視角揭示了小麥的馴化過程中基因組結(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。在整個國際小麥測序聯(lián)盟中，宋衛(wèi)寧教授實驗室是首個把基因組序列V1.0版改進為V2.0版的團隊，不但填補了龐大數(shù)量的序列“縫隙”，同時還完成了深度的比較基因組分析，走在全聯(lián)盟的前列。
“7DL染色體的序列改進是小麥參考基因組V1.0后的繼續(xù)和完善，可為升級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)分析等更加準確。
“未來，我們還將繼續(xù)開展序列分析工作，將小麥基因組的進化、序列與分子育種、遺傳育種結(jié)合起來，培育高產(chǎn)、抗旱、抗鹽、抗病蟲的小麥新品種，更好應(yīng)對全球氣候變化及人口膨脹帶來的食品短缺的挑戰(zhàn)，為小麥基因組改良工作奠定基礎(chǔ)。”宋衛(wèi)寧教授說。
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