前沿|最新研究揭示我国小麦重大品种演替规律

　　小麦漫长的驯化过程与人类和环境有何关系？小麦为什么北“硬”南“软”？冬麦和春麦究竟是如何演化的？中国农业科学院作物科学研究所张学勇团队联合国内外研究团队共同开展的最新研究发现，染色体上跨着丝粒区域是小麦品种分化的核心区域。研究在基因组水平证实我国小麦现代品种保持了较高的多样性，地域饮食习惯潜在地造就了小麦北“硬”南“软”的特点，同时发现小麦的“冬性”是由“春性”演变而来。相关研究成果近日在线发表于《自然》（Nature）杂志。

 

我国小麦现代品种保持了较高的多样性
 

　　小麦是人类最早驯化的农作物之一。然而，小麦本身丰富的育成品种和复杂庞大的基因组，一直都是育种理论研究的难题。

 

　　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，我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，张学勇及其团队基于对我国近70年育种史的分析，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，研究团队发现我国这17个小麦品种展现出很好的多样性。研究推断，这是由于我国小麦商业化育种发展相对较慢，一定程度保留了品种的遗传多样性，维持了小麦品种较高的韧性，这为未来作物育种管理政策的调整提供了参考。

 

　　研究中，科研人员发现了基因组中的一个特殊区域，这个特殊区域被称为“跨着丝粒区域”。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。这一发现为未来小麦的基因组学辅助育种改良提供了宝贵的基因资源信息，为全球种质资源的整合和利用，支撑未来小麦育种提供了新的视角和策略。

 

小麦的“冬性”由“春性”演化而来
 

　　目前，人类种植的小麦有春小麦、冬小麦，其主要区别是能否越冬，当前我国85%的小麦都是冬小麦。然而，小麦起源于两河流域，气候温暖适宜，并不需要太强的耐寒性。那么，在漫长的进化过程中，小麦是如何从温暖地区传播到寒冷地区的？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，小麦祖先种中的野生四倍体小麦和栽培种中的四倍体小麦，完全是“春性”的；而普通小麦出现“冬性”突变和该“春化基因”的拷贝数变异，继而呈现“冬性”——抗寒性变强。

 

　　“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（西欧、东欧）地区、我国北方等地，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，研究发现在我国地方品种中，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，为小麦在全球的广泛分布提供了新的见解。

 

　　在小麦驯化过程中，因为人类的选择不同，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。张学勇进一步解释道：“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。”

 

　　这种选择结果也表现在人们对小麦类型的偏好中。在我国北方，老百姓大多更喜欢较为“筋道”的小麦加工食品，而南方地区则多偏好软一点的小麦食品。研究发现，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，籽粒硬度就会增加，更适合制作烘焙类食品，反之则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，即在我国西北、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，如北方居民喜欢吃锅盔、咀嚼感很强的面条，而东南居民喜欢松软的面食品。”可见，人们对面食的喜爱潜移默化地影响着本地区小麦育种的基因选择。