全球首個六倍體小麥端粒到端粒（T2T）完整基因組圖譜在山東繪就
中國完整破譯小麥“生命天書”
◆給“糧倉支柱”裝上基因?qū)Ш?◆為新品種培育按下加速鍵
如果把小麥的基因組比作一本由145億個字符寫成的“生命天書”，過去的科學(xué)家只能看到并讀懂其中零散的章節(jié)，而如今，這本“天書”第一次被從頭到尾完整破譯。
4月7日，來自濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實驗室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）的科研團隊在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》發(fā)布全球首個六倍體小麥端粒到端粒（T2T）完整基因組圖譜，完成對小麥全部21對染色體頭尾無缺口精準拼接，標志著人類對小麥這一“糧倉支柱”的認知邁入無盲區(qū)時代。這項被比喻為“給小麥裝上基因?qū)Ш健钡耐黄?，將為高產(chǎn)、抗病、耐旱、耐鹽的新品種培育按下加速鍵。
登頂“植物界珠峰”
作為最古老的糧食作物之一，小麥的基因組堪稱“植物界的珠穆朗瑪峰”，它的遺傳密碼總長達14.51Gb，含145億個堿基，是水稻的40倍、人類的5倍，更擁有三套既高度同源又有明顯分化的亞基因組，如同三套被撕碎后混成一堆的百科全書。尤其讓科學(xué)家頭疼的是，基因組中近85%是重復(fù)序列，就像把同一段文字復(fù)印了成千上萬次后胡亂拼貼，傳統(tǒng)測序技術(shù)如同拿著模糊的放大鏡，始終無法看清全貌。
“過去我們只能通過零碎的基因組片段推測小麥的生命邏輯，現(xiàn)在終于有了完整清晰的圖譜。”濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實驗室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）主任鄧興旺說。
為了把這本小麥“生命天書”拼接完整，鄧興旺組建了一支21人的跨學(xué)科團隊，集合了測序技術(shù)專家、生物信息學(xué)家和育種專家，歷經(jīng)兩年多艱苦攻關(guān)，終于在2023年8月繪制出完整圖譜，實現(xiàn)“珠峰登頂”。
基因組測序是解析生命密碼的關(guān)鍵技術(shù)。在繪制圖譜過程中，科研團隊創(chuàng)造性地融合兩種前沿測序技術(shù)：PacBio HiFi測序技術(shù)如同超高精度顯微鏡，能夠精準讀取2萬個堿基長度的DNA片段；ONT超長測序技術(shù)則如同全景廣角相機，單次測序長度可突破20萬個堿基。為突破數(shù)據(jù)運算瓶頸，山東省政府專項支持擴容升級超級計算機中心，為基因組組裝提供了強大的算力保障。
為小麥編寫“免疫程序”
濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實驗室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）研究員陳時盛長期致力于小麥抗病遺傳育種實驗，借助全新基因組圖譜，他的團隊剛完成一個抗病基因的定位克隆?！霸谝郧鞍姹镜膮⒖蓟蚪M圖中，有些基因所在的染色體區(qū)域存在組裝錯誤，一度使課題研究迷失方向、陷入僵局?！标悤r盛形象地比喻，“這份圖譜為小麥遺傳研究裝上了完整版的導(dǎo)航系統(tǒng)，我們可以精準定位基因在染色體上的坐標，快速鎖定候選基因，顯著縮短研究周期?！?/span>
最復(fù)雜的難題往往藏著最珍貴的寶藏?！坝辛送暾驁D譜，我們第一次能精準定位控制抗病、高產(chǎn)等性狀的‘開關(guān)’。”論文共同作者何航研究員展示了3.4萬個過去未被發(fā)現(xiàn)的高置信度基因。例如，一批NLR抗病基因的識別，讓科學(xué)家能像編寫“免疫程序”般設(shè)計抗病的小麥。
這項研究成果還帶來了一系列顛覆性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：小麥從四倍體升級為六倍體時，基因組發(fā)生過23次“乾坤大挪移”，總計5.18億堿基的染色體倒位，暗示著小麥祖先在進化中不斷“試錯重組”，最終篩選出最優(yōu)版本；占基因組大頭的重復(fù)序列也并非“垃圾文件”，其中隱藏著小麥進化的“生存智慧”，海量的遺傳變異素材使其能夠在氣候變化和病蟲害威脅中“見招拆招”。
給種子裝上“中國芯”
作為全球最重要的糧食作物，小麥年產(chǎn)量已接近8億噸，養(yǎng)活了全球35%以上的人口。隨著中國科研團隊將完整基因組數(shù)據(jù)向全球開放共享，人類在馴化小麥一萬年后，終于真正讀懂了這位“老朋友”的生命密碼。
這項成果也被視為應(yīng)對糧食危機的“科技盾牌”。隨著全球氣候變化加劇，極端干旱、高溫和新型病原體頻發(fā)，小麥主產(chǎn)區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)壓力陡增。“完整基因組就像一套‘應(yīng)急預(yù)案庫’，我們可以快速找到讓小麥耐旱、耐鹽的基因組合，設(shè)計出適應(yīng)更惡劣環(huán)境的‘未來小麥’?！编嚺d旺告訴記者，通過掌握雜交小麥技術(shù)制高點，團隊正在培育兼具抗病、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)特性的突破性新品種，目前已開發(fā)出20余項核心專利技術(shù)。
正如鄧興旺所言：“讀懂小麥的基因組，就握緊了糧食安全的命脈?！边@場已持續(xù)數(shù)十年的“基因解碼戰(zhàn)”，不僅讓中國在國際農(nóng)業(yè)科技競爭中搶占先機，更讓“中國飯碗”裝“中國糧”的底氣更足。
來源:大眾新聞·大眾日報
編輯:劉曉哲 孫錦
一審:姜健 李敬友
二審:孫瑞永
三審:王桂林
