撰文 | MX
责编 | 奕梵
2020年11月25日，加拿大Saskatchewan University Crop Development Centre (CDC)Curtis J. Pozniak研究组联合Curt A. McCartney、Manuel Spannagl和Thomas Wicker等，领导来自加拿大、瑞士、德国、日本等多个国家研究团队的95位科学家在Nature期刊发表了题为Multiple wheat genomes reveal global variation in modern breeding的研究论文。该研究选取了全球小麦育种进程中具有代表性的16个品种进行全基因组测序，提供了迄今为止最为全面的小麦基因组图谱，使从事小麦研究的科学家和育种家们快速鉴定与小麦产量性状、抗病虫害及其他重要农艺性状相关的基因，从而为提高小麦的产量及病虫害抗性等多方面的研究提供了极大的帮助。
小麦是全球种植范围最广也是消费最多的一种主要粮食作物，为世界上三分之一的人口供给了主粮。小麦最早起源于西亚的新月沃地，我国种植小麦的栽培历史超过2500年之久。小麦一般按照种植季节可分为冬小麦 (winter wheat) 和春小麦 (spring wheat) 。按照胚乳形态可分为硬质小麦 (hard wheat or durum wheat) 和软质小麦 (soft wheat) ，硬小麦主要用于制作面包、面条等；软麦可用于生产饼干、蛋糕等食物。随着全球人口的持续快速增长，预计到2050年全球的粮食需求将增加60%，小麦的产量需增加到目前水平的50%以上才能满足需求，因此全球的粮食供给形势依然十分严峻 【1】 。综合全球小麦育种资源中鉴定的种内等位基因多样性，以及通过最优等位基因聚合产生优异栽培品种的基因组资源，对于提高小麦产量具有非常重要的意义。
小麦基因组巨大，其大小达到人类基因组的5倍，是水稻基因组的35倍之多。六倍体小麦 (2n=6x=42，AABBDD) 基因组由A、B和D 三套亚基因组整合而成，其基因组组成极其复杂，三套亚基因组中80%以上的序列是相似的，并且小麦基因组中的重复序列高达85%以上，因此小麦基因组的测序组装是一个巨大的挑战。2018年8月17日，Science期刊载文报道世界上首个完整版六倍体小麦“中国春 (Chinese Spring) ”基因组图谱完成。该研究前后历时13年，由国际小麦基因组测序联盟 (IWGSC) 牵头，由20多个国家和70多家机构的200多位科学家参与共同合作完成 【2】 。
(来源于百度图片)
尽管最近几年完成的四倍体小麦和六倍体小麦染色体水平的基因组组装序列可供利用 【1,3】 ，但是从这些组装结果中并不能完全获取种内的基因组变异信息用于作物改良，从多个不同品种中获取比较基因组学信息对于普通小麦 (bread wheat) 的研究和育种十分必要。
为了拓展小麦基因组学信息资源，该研究选取了全球小麦育种进程中具有代表性的15个品种 (除“中国春”之外) 进行全基因组测序，并组装了10个高质量的染色体水平参考基因组序列(RQAs) 和5个scaffold水平的六倍体小麦基因组序列。这些完成组装的基因组的大小和结构与“中国春”相似，并且各基因组之间具有较高的共线性。对新组装的15个六倍体小麦在全球小麦资源中的分布进行分析，发现其遗传距离与系谱、地理位置、生长习性 (春小麦冬小麦) 等相一致 【4】 ，且大部分组装小麦品种与“中国春”的遗传距离有明显偏离，表明其包含了不同于“中国春”基因组的遗传变异。
通过将“中国春”小麦参考基因组中注释的绝大多数高置信度基因映射到新组装的10个RQAs基因组上，鉴定了映射基因的同源基因群，并分析部分同源基因编码区的SNPs多态性，发现核酸多态性相关参数在这些同源基因中的相关系数很小。表明多倍化进程极大可能地增加了普通小麦的可选择遗传位点，促进其产生广泛的适应性。进一步分析基因组的变异发现10个RQAs之间大约12%的基因存在PAV变异，基于这些数据的聚类结果与PCA分析结果相一致。研究人员还发现大约有26%的基因发生串联重复或加倍，说明基因拷贝数变异对于小麦的遗传变异具有重要的影响。另外研究人员还对小麦育性恢复Rf基因家族在RQAs基因组中的扩张进行分析，说明了育种选择对基因扩张的影响。同时该结果对于克隆小麦中的Rf基因和开展小麦的杂交育种工作具有重要的意义。
图2：小麦基因组变异的模式
研究人员对小麦中与抗病相关的包含保守NLR motifs (NB-ARC–leucine-rich repeat) 的基因进行注释和分析，在各RQA基因组中均发现大约2,500个NLR基因位点。只有31-34%的NLR基因在所有基因组中具有共同的特征，而特异基因的数目在22-192个之间。通过对小麦RQA基因组中的转座子进行分析，发现转座元件占小麦基因组的81.6%，其中由69%的长末端重复反转录转座子 (LTR) 和12.5%的DNA转座子构成。对122万条全长-长末端重复序列fl-LTRs进行注释和分析，鉴定到341个长度超过20Mb的特异fl-LTR片段。对这些重复序列变异规律的分析揭示很多独特的fl-LTR可能与外源渗入片段相关。为了对此进行验证，研究人员对4个小麦RQAs中位于染色体2A端粒区域的RLC-Angela fl-LTR进行分析，该转座子与小麦从偏凸山羊草 (Aegilops ventricosa) 中Vpm-1渗入片段相关联，这一渗入片段即为小麦麦瘟病抗性基因的来源，其包含的Lr37-Yr17-Sr38基因簇同时还提供给小麦部分锈病抗性基因来源。此外研究人员还对这些RQAs的着丝粒的动态以及基因组之间的大范围结构变异以及基因的单倍型进行分析。
综上所述，该研究通过对小麦育种资源中具有代表性的16个小麦品种的基因组进行测序组装，通过比较基因组学的方法分析了小麦育种中产生丰富的变异，提供了迄今为止最为完整和全面的小麦基因组图谱，该研究揭示了小麦基因组的结构和变异以及对当代小麦育种的影响，为快速定位和克隆影响小麦产量及病虫害抗性相关基因提供极大的帮助，从而提高小麦的产量和抗性，极大的加快了小麦的育种进程。
参考文献：
[1] Tadesse, W. et al. Genetic gains in wheat breeding and its role in feeding the world. Crop Breed. Genet. Genom. 1, e190005 (2019).
[2] The International Wheat Genome Sequencing Consortium. Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome. Science 361, eaar7191(2018)
[3] Avni, R. et al. Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication. Science 357, 93–97 (2017).
[4] He, F. et al. Exome sequencing highlights the role of wild-relative introgression in shaping the adaptive landscape of the wheat genome. Nat. Genet. 51, 896–904 (2019); correction 51, 1194 (2019).
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2961-x