对于养活了世界1/3人口的农作物来说,这是一个里程碑事件,与9000年前人类首次种植小麦的那一天一样,具有划时代意义。

 

 

  在美国明尼苏达大学圣保罗校区边缘的一个田野里,6名学生和实验室的技术人员凝望着昏暗的天空。这场即将来临的暴风雨可能会使8月的高温有所缓解,但它却不利于这些小麦的收获。他们穿梭于一排排的小麦垅,剪掉了大约100个尖尖的麦穗头,把它们放在一个塑料容器里,然后带回到停在田边的一辆卡车里。他们把谷物包装好,贴上标签,装进卡车里,然后运回詹姆斯·安德森(JamesAnderson)的实验室进行分析。
 
  这位长期从事小麦育种的研究者希望能从中找到一种小麦种子:没有白垩状的白色真菌(这种真菌分泌的毒素会导致小麦镰刀菌枯萎病)。进而寻找新的基因,使小麦能够抵抗世界上最具毁灭性的植物病害之一。安德森负责该大学的小麦育种项目,这是美国致力于通过传统育种来改善作物的几十个育种项目之一。由于基因技术的发展,这样的项目也越来越多了,而安德森可以利用的研究工具也日益增多。
 
  在近期发表的一份研究报告中,一个由200多名研究人员组成的国际团队展示了第一个高质量、完整的面包小麦基因组序列。就像一幅巨大的基因组物理图谱——小麦的DNA比人类多5倍——完整注释的序列涉及107000个基因位点,21条染色体展示了400多万个基因标记。对于养活了世界1/3人口的农作物来说,这是一个里程碑事件,与9000年前人类首次种植小麦的那一天一样,有着同样的划时代意义。
 
  国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)是一个公私合作的研究团队,组建于2005年。通过十多年的努力,完成了这个序列的绘制。该团队的负责人凯勒叶·埃弗索尔(KellyeEversole)说:“我们认为,让育种者利用我们提供的信息来研发更适合当地的品种,是未来养活人口的基础。”
 
  像安德森这样的育种项目一直在寻找小麦新品种,以满足种植者面临严峻的经济和环境变化的需求。2011年发表于《科学》杂志的一项研究表明,气温上升已经导致小麦产量下降。而最近在《自然》杂志上发表的一项研究表明,这种趋势只会变得更糟,温度每上升1华氏度就会导致小麦产量下降5%。
 
  那么,什么样的性状能使小麦变得更好呢?炎热气候条件下的生长能力是一种优势,还要有较强的抗病性。但是种植者还关心其他方面。安德森说:“在选择品种时,他们首先考虑的是产量,其次是耐倒伏性,再次是蛋白质含量。”育种者必须谨慎地把握这些特征,并和其他特征进行平衡,比方营养。
 
  在安德森的实验室里,研究的重点是赤霉病抗性,这意味着需要在试验田中喷洒真菌孢子,并观察哪些单株不会死亡。在3年前,他开始使用基因测序技术来帮助培养更多的幸存单株。
 
  他的研究团队在试验田收获了所谓的“训练种群”:500棵被选单株可反映一个总数为2500棵的种群(它们的基因组测序已经完成)。通过遗传数据与实际表型特征结合起来,安德森可以更好地预测哪些植物将有最好的抗病能力,以及哪些遗传序列会赋予这种表型特征。
 
  近期公布的这一序列,涵盖了94%的基因组(更早的版本为61%),更有助于将特定的性状与特定的基因联系起来,从而着手对其调整。
 
  接下来的问题是,如何进行调整?与玉米、大豆和油菜不同,目前还没有人将转基因小麦商业化。安德森曾与孟山都公司合作开发一种抗“农达”小麦(抗除草剂转基因小麦),但这家跨国公司在2004年退出了这一合作关系。安德森说:“这主要受文化影响,当时的世界还没有准备好接受,而现在大概还是这样。”长久以来,美国小麦的一些最大进口国——欧洲和日本——一直是对转基因食品持敌对态度的国家。
 
  像CRISPR、锌指和TALENs这样的新技术也面临着同样的文化阻力,或者像第一代转基因生物一样,也要面临各种繁文缛节。不过,美国农业部于2018年3月宣布,不再对基因编辑技术导致突变的农作物进行监管,因为这类突变类似传统育种过程,只要没有远距离引入遗传物质,就可不用监管。
 
  新的基因图谱将加速新型转基因产品的研发,不仅限于传统育种项目的作物。就像大多数基因组工作一样,新的小麦基因组图谱为未来研究提供了足够的支撑和细节。

 

资料来源 Wired

 

责任编辑 游溪