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小麦如何走向全球,成为人类的主粮

2017年07月12日 11:37 来源于 财新网
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最新基因组研究揭示小麦如何在成为主要粮食作物的竞争中脱颖而出
小麦是一种在世界各地广泛种植的粮食作物。纵观全球,它们往往被磨成面粉或加工成食物,供人们食用,尤其是在中国北方及欧美地区,小麦是碳水化合物的重要来源。

  撰文 | 冯枭

  小麦是一种在世界各地广泛种植的粮食作物。纵观全球,它们往往被磨成面粉或加工成食物,供人们食用,尤其是在中国北方及欧美地区,小麦是碳水化合物的重要来源。

  小麦为人类提供了膳食纤维和多种营养物质。同时,它也是食物中植物蛋白的主要来源之一,近13%的蛋白质含量,使之在与其他主要食物竞争中脱颖而出。

  大约在1万年前,小麦于中东的新月沃土地区(Fertile Crescent)被驯化,驯化主要与小麦种子的休眠、穗粒形态、籽粒萌发等有关。

  落粒性(shattering)是粮食作物非常重要的性状,也是一个关键的驯化性状。野生型植株由于对环境的长期适应,往往具有落粒的特性,也就是种子成熟后会散落到土壤中,进而增加其繁殖后代的能力。

  相对于野生型小麦,栽培作物往往具有落粒抗性,这避免了因落粒造成的粮食损失减产。可以说,植物中落粒性状的驯化在人类文明史上具有重要意义,小麦也不例外。野生小麦的穗粒常常会在成熟期破碎,而大部分驯化的小麦穗粒却能够保持完整,这就使得收获更加容易,产量更加丰厚。

  那么驯化小麦落粒抗性背后的机制又是怎样的呢?

  为了揭示小麦在驯化过程中基因的改变与演化情况,更好地了解现代小麦(当前重要的小麦类经济作物)的生物学特性,一个由多国科学家组成的研究团队测序组装了它的异源四倍体祖先——野生二粒小麦(wild emmer wheat, WEW)的全基因组,并展开了一系列研究,相关的研究成果于7月7日在国际顶级学术杂志《科学》(Science)上发表。

  由于野生二粒小麦是由多个祖先杂交产生,其基因组是几个基因组的复合体,大小相当于人类基因组的3~5倍,较为复杂。研究人员选取了野生二粒小麦“Zavitan”进行下一代测序,获得高质量的序列数据,并利用染色质构象捕获技术及其衍生技术(Hi-C),重建野生四倍体小麦的14条染色体。

  为了更好地注释已完成组装的基因组,研究人员还测定了不同组织、在不同发育时间的转录组数据。

  通过将驯化小麦中与落粒性状相关的基因与野生小麦中的相应基因进行比较,发现驯化小麦中名为Brittle Rachis 1 (TtBtr1)的一类基因(包括TtBtr1-A和TtBtr1-B)发生了改变,并失去功能,后续的功能实验也证实了这一点。

不同小麦穗粒易碎情况(即落粒性),来源:Science
不同小麦穗粒易碎情况(即落粒性),来源:Science

  当这些基因中某一个基因恢复正常时,小麦就呈现出独特的穗粒,穗粒前半部分是易碎的,而后半部分则不是。这些结果表明,这类基因在帮助小麦获得落粒抗性方面起着一定的作用,这为提高这一关键粮食作物的产量和质量提供了思路。

  这项研究不仅提供了高质量的小麦全基因组数据,而且还从基因组水平推动了小麦的遗传学研究,在应对全球气候变化,促进农业发展等方面,具有重要的意义。

  参考资料

  [1] Avni et al. Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication. 2017. Science.

  [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Wheat

  《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想

  

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责任编辑:于达维 | 版面编辑:陈华懿子
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