全球首個(gè)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(guó)完整破譯小麥“生命天書”
◆給“糧倉(cāng)支柱”裝上基因?qū)Ш?span> ◆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(gè)字符寫成的“生命天書”，過(guò)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(lái)自濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）的科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》發(fā)布全球首個(gè)六倍體小麥端粒到端粒（T2T）完整基因組圖譜，完成對(duì)小麥全部21對(duì)染色體頭尾無(wú)缺口精準(zhǔn)拼接，標(biāo)志著人類對(duì)小麥這一“糧倉(cāng)支柱”的認(rèn)知邁入無(wú)盲區(qū)時(shí)代。這項(xiàng)被比喻為“給小麥裝上基因?qū)Ш?rdquo;的突破，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(zhǎng)達(dá)14.51Gb，含145億個(gè)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(wàn)次后胡亂拼貼，傳統(tǒng)測(cè)序技術(shù)如同拿著模糊的放大鏡，始終無(wú)法看清全貌。
“過(guò)去我們只能通過(guò)零碎的基因組片段推測(cè)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(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）主任鄧興旺說(shuō)。
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(tuán)隊(duì)，集合了測(cè)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(shí)現(xiàn)“珠峰登頂”。
基因組測(cè)序是解析生命密碼的關(guān)鍵技術(shù)。在繪制圖譜過(guò)程中，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地融合兩種前沿測(cè)序技術(shù)：PacBio HiFi測(cè)序技術(shù)如同超高精度顯微鏡，能夠精準(zhǔn)讀取2萬(wàn)個(gè)堿基長(zhǎng)度的DNA片段；ONT超長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)則如同全景廣角相機(jī)，單次測(cè)序長(zhǎng)度可突破20萬(wàn)個(gè)堿基。為突破數(shù)據(jù)運(yùn)算瓶頸，山東省政府專項(xiàng)支持?jǐn)U容升級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)中心，為基因組組裝提供了強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院）研究員陳時(shí)盛長(zhǎng)期致力于小麥抗病遺傳育種實(shí)驗(yàn)，借助全新基因組圖譜，他的團(tuán)隊(duì)剛完成一個(gè)抗病基因的定位克隆。“在以前版本的參考基因組圖中，有些基因所在的染色體區(qū)域存在組裝錯(cuò)誤，一度使課題研究迷失方向、陷入僵局。”陳時(shí)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(zhǔn)定位基因在染色體上的坐標(biāo)，快速鎖定候選基因，顯著縮短研究周期。”
最復(fù)雜的難題往往藏著最珍貴的寶藏。“有了完整基因圖譜，我們第一次能精準(zhǔn)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(wàn)個(gè)過(guò)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(shí)別，讓科學(xué)家能像編寫“免疫程序”般設(shè)計(jì)抗病的小麥。
這項(xiàng)研究成果還帶來(lái)了一系列顛覆性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：小麥從四倍體升級(jí)為六倍體時(shí)，基因組發(fā)生過(guò)23次“乾坤大挪移”，總計(jì)5.18億堿基的染色體倒位，暗示著小麥祖先在進(jìn)化中不斷“試錯(cuò)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(jìn)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(jiàn)招拆招”。
給種子裝上“中國(guó)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(guó)科研團(tuán)隊(duì)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(wàn)年后，終于真正讀懂了這位“老朋友”的生命密碼。
這項(xiàng)成果也被視為應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)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(kù)’，我們可以快速找到讓小麥耐旱、耐鹽的基因組合，設(shè)計(jì)出適應(yīng)更惡劣環(huán)境的‘未來(lái)小麥’。”鄧興旺告訴記者，通過(guò)掌握雜交小麥技術(shù)制高點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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。”這場(chǎng)已持續(xù)數(shù)十年的“基因解碼戰(zhàn)”，不僅讓中國(guó)在國(guó)際農(nóng)業(yè)科技競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)，更讓“中國(guó)飯碗”裝“中國(guó)糧”的底氣更足。
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