《文汇报》征服遗传学的“珠穆朗玛峰”,他们是唯一的中国团队

来源:文汇报 | 作者:韩宏 | 发布日期:2018-09-29 | 阅读次数:

《文汇报》 2018年9月26日


西北农林科技大学宋卫宁教授接受本报记者采访

  记者近日在西北农林科技大学见到了该校旱区作物逆境生物学国家重点实验室的宋卫宁教授,就是他率领本校团队,历经近10年艰辛,参与破译了世界上首个完整版六倍体小麦“中国春”的基因组图谱。

  这一基因组图谱被业内俗称为研究小麦基因的“密码本”,它的完成,“征服了遗传学领域的‘珠穆朗玛峰’”。记者获悉,在征服这一“珠峰”的攻坚战中,宋卫宁团队是唯一的中国团队。

  2006年7月,宋卫宁正式加入由全球小麦科学家组成的国际小麦基因组测序联盟(IWGSC),并成为该联盟决策委员会中唯一的中国成员。

  今年8月17日,《科学》杂志在线发表一项历时13年的研究成果:世界上首个完整版六倍体小麦“中国春”的基因组图谱完成。这一成果由IWGSC牵头,署名作者来自20多个国家70多家机构的200多位科学家。宋卫宁团队,完成了其中7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。

  IWGSC主席、澳大利亚墨尔本大学小麦育种专家鲁迪·埃培尔斯评价该研究是“征服了遗传学的‘珠穆朗玛峰’!”

  小麦基因组破译难度非常巨大

  小麦是全球非常重要的农作物,联合国粮农组织2017年公布的数据,小麦提供的蛋白质超过了所有肉类的总和。从粮食安全、文化的角度来说,它是一个非常重要的食品;从贸易角度说,中国是全球最大的小麦消费国,也是最大的小麦生产国。

  “小麦的重要性远远超过一般的农作物,但所有的农作物都有了基因组或者叫‘密码本’,唯独小麦没有,落在了最后一名。”为什么?宋卫宁解释道,难点在于小麦的基因组特别大、特别复杂、重复序列特别高,破译难度非常巨大,导致其基因组“姗姗来迟”,基因组序列一直没有做出来。

  “特别大”——它是人类基因组的6倍,是水稻基因组的40倍。“从大小来说,人的基因组只有3个G,而小麦差不多是人的6倍。也就是说,小麦大得多,人的基因组大约是小麦的1/6,6个人的基因组才是一个小麦。”

  “特别复杂”——小麦是3个不同的基因组绑在一块的,而且是几个不同的物种杂交在一块,是几个基因组同时存在一块的,它的学名叫“异源六倍体”。“它的复杂程度不是简单的成倍,3个基因组中大概90%多是相似的,小部分是不同的,研究起来非常麻烦。”

  “重复序列特别高”——“人大概是50%的重复序列,而小麦差不多90%的序列是重复序列,我们测序的话可能是几百次的重复,实际上它可能是重复了一万遍。还有一个,它的AAT可能在这一段,实际上不同的染色体都有分布。这样的话,对于研究者来说是特别大的阻碍。”

  破译小麦基因组,在上世纪末、本世纪初,被很多领域的科学家认为不可能完成,在当时的技术条件下相当难。宋卫宁说:“我们都需要这个密码本去解析小麦的现象,改进现有的品种,让它更高产、更抗旱抗盐、抗高温,要研究不同的逆境、冻害和病虫害,没有这个密码本,很多东西就做不成或者很难去做。”

  “中国春”是种植在四川省成都平原的一个地方品种。上世纪四五十年代,美国著名学者西尔斯通过研究,从“中国春”衍生出一系列小麦染色体材料。

  攻克“7DL染色体”堡垒,“参与的师生可以坐满一节车厢”

  2005年开始,国际小麦基因组测序联盟将“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。染色体最初的分离,与BAC文库的构建,由捷克的研究团队负责,之后由IWGSC协调委员会牵头,各国成员依照自身条件“一段段认领”,再分头完成后续的物理图谱构建和BAC测序。

  宋卫宁解释说:“就是把小麦的基因组‘化整为零’,把21对染色体分离出来,再把每条染色体做成库,做成小的片段,把复杂的‘庞然大物’分解成小的能‘一口咬下’、还能咬碎、消化掉的东西。这样的话,就不受其他重复序列的干扰,也降低了测序的成本。”

  不断涌现的研究突破,让更多科学家看到希望,小麦全基因组图谱的前景也逐渐明朗起来。

  2008年,法国农科院研究团队发布了小麦染色体中最大的一条——3B染色体的物理图谱;2013年,中科院遗传发育所和中国农科院作物所分别完成小麦祖先A和D基因组草图;2017年,IWGSC宣布:小麦品系“中国春”染色体物理图谱构建完成;同年,美国加州大学戴维斯分校研究团队获得小麦祖先D基因参考序列……

  宋卫宁团队负责7DL染色体物理图谱构建及序列破译工作。他介绍说,小麦有3个基因组A、B、D,每一个基因组有7对染色体,“7DL”就是第1个染色体的第7条,L是长臂。“这条长臂虽然只是3个基因组中一个基因组里的一对染色体的一段,但7DL染色体的大小就相当于整个水稻的全部基因组。”“参与的师生可以坐满一节车厢!”

  最终,20多个国家的科研人员,分头完成了物理图谱的构建。研究人员整合了21条小麦染色体的参考序列,获得10.7万个基因,超过400万个分子标记,以及影响基因表达的序列信息。“中国春”基因组图谱的绘制完成,使科学家对小麦生长发育规律的了解发生了质的飞跃,也为未来人类更好地利用小麦做了重要铺垫。

  宋卫宁说:“我们研究小麦的生命现象,有了这个‘密码本’和蓝图,就方便很多了,可以更有效率地加快小麦的育种进程。”“有了它,小麦的育种、遗传研究,就可以向前推进一大步。”

  他表示:“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,以更好应对全球气候变化及人口增加带来的食品短缺挑战,为小麦基因组改良工作奠定基础。”

  原文链接:http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/jjl/20180926/214779.html


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