当人类遇见小麦 科学家揭秘小麦协同进化机制

      小麦为什么北“硬”南“软”？冬麦和春麦究竟是如何分化的？漫长的驯化史中，是小麦适应了人类，还是人类适应了小麦？

      

      作为全球最大的主粮作物之一，小麦有万年驯化史，和人类文明的进程息息相关。近日，我国科学家的一项新研究，发现了小麦品种分化的核心区域，揭示了小麦演化背后的故事，研究由中国农科院作科所张学勇团队联合国内外研究团队共同完成，成果于2024年11月28日零点，以长文形式发表于《自然（Nature）》杂志。

      

      重新组装了17个小麦品种基因组

      

      小麦是人类驯化最早的农作物之一，也是人类从采集转向农耕的标志性作物之一。然而，小麦本身丰富的育成品种和复杂庞大的基因组，一直都是育种和研究的难题之一。

      

      张学勇介绍，我国是全球最大的小麦生产国和消费国，育种水平处在全球前列，尤其随着现代育种技术的发展，小麦品种极大丰富，在过去70年中，中国小麦品种的产量水平提高了6-8倍，育成品种超过5000个，其中国审品种约3500个。

      

      从4年前开始，张学勇和团队的合作者们一起，在中国近70年育种史上，选择了17个不同时期、不同区域的代表性品种，进行了染色体水平的高质量基因组重新组装。在高质量基因组的分析中，研究团队发现这17个中国小麦品种展现出高于全球其他国家近30年育成品种的多样性。“我们推断，这可能是由于我国小麦商业化育种发展相对较慢，一定程度保留了其品种的遗传多样性、维持了小麦品种较高的韧性。”张学勇说。

      

      小麦是异源六倍体，含有三个功能相似、染色体间可发生互换的亚基因组，这赋予了其基因组很好的可塑性和韧性，能够更好地耐受基因组片段的丢失、重复、倒位、易位等结构变异冲击。“这也是小麦能够传播到全球，并且出现这么多不同品种的重要原因。”张学勇说。

      

      研究中，一个基因组中的特殊区域被科研人员发现，这个特殊区域被称为“跨着丝粒区域”，研究发现，在该区域附近的结构变异，显著影响了小麦基因的重组，而基因重组是生物变异和进化的基础。“我们在研究前期发现了这一现象，并在后来的研究中证实了它。”张学勇说。

      

      从“春性”到“冬性”，小麦还在快速演化

      

      小麦起源于两河流域，在漫长的时间里，传播到了全球各地，无论是温暖的平原，还是寒冷的高原，都有它的身影。那么，它是怎样适应这个世界的呢？

      

      在今天，小麦有春小麦、冬小麦，外在的主要区别是能否越冬，相对来说，冬小麦的产量更高且更稳定，因此，当前我国大部分小麦都是冬小麦。

      

      值得注意的是，在小麦的发源地，气候温暖适宜，小麦并不需要太强的耐寒性，那么它越冬的能力是怎样产生的？

      

      张学勇介绍，小麦“春性”与“冬性”的转变和演化，是小麦进化研究中一个悬而未决的科学问题。在研究中，科研人员针对小麦的一个“春化基因”进行了全面分析，进而发现，小麦的祖先种中的野生四倍体小麦，栽培种中的四倍体小麦，完全是“春性”的。而普通小麦中出现“冬性”突变和该“春化基因”的拷贝数变异，继而呈现“冬性”——即抗寒性强弱的变化。

      

      “这种变化产生的原因，可能和传播中的环境变化有关。”张学勇说，“当传播到更加寒冷的地区，如欧洲地区、我国北方等，小麦在适应环境的过程中，出现了基因变异，进化出了耐寒的能力。尤其是，这种变化仍未停止，我们发现，我国地方品种中，该基因大多为三次拷贝，而现代品种多为两次拷贝，拷贝数的降低，可能与最近100年气候变暖密切相关。这解释了地方品种和现代育成品种对环境变化的高度适应性及遗传基础，为小麦为何在全球分布如此广泛提供了新的见解。”

      

      人类怎样影响小麦的演化

      

      在人类驯化小麦的过程中，因为选择的不同，小麦出现了许多新的变化，比如抗病性，这也体现在小麦的基因层面。研究发现，小麦外源染色体片段在快速调整和进化。“比如，一个来自于黑麦的染色体，为小麦提供了重要的抗白粉病、条锈病基因，同时也增加了个体的根量，增强了水肥吸收能力，为小麦产量的提高作出了重要贡献。”张学勇说，“我们还发现，小麦基因组中，该染色体在处于快速进化和调整之中，这使其更好地在小麦基因组大背景中保留和传递。”

      

      这种选择和适应的结果，不止在生产性能上有所表现，也表现在人们对小麦类型的偏好中。在我国，北方地区的人，大多更喜欢较为“筋道”的小麦加工食品，而南方地区的人们，多偏好软一点的小麦食品。

      

      科研人员发现，小麦籽粒的硬度，是影响面团结构的重要遗传因素，与小麦面粉的出粉率、研磨品质和食品加工品质密切相关，而它又同时受到两个特殊基因的控制，“当这两个基因发生突变或者丢失的时候，籽粒就会变硬，更适合制作烘焙类食品，反之更适宜于加工比较松软的馒头、蛋糕等食品。”张学勇说，“我们在研究中发现，这两个基因的变异分布，存在一定的规律性，即我国西北、华北小麦品种中，该基因突变的频率显著高于东南、西南地区小麦品种，这与我国居民‘北硬南软’的饮食习惯密切相关，如北方喜欢吃锅盔、咀嚼感很强的面条，而东南居民喜欢松软的面食品。”

      

      那么，是人类的偏好影响了小麦的演化，还是小麦的演化左右着人类的口味？或许还要更多的研究才能探究明白，针对小麦的研究仍在进行，更多的秘密还待揭开。 =