本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
普通小麦(Triticum aestivum)可能看起来像它烤成的切片面包一样平淡无奇。但在基因上,它却极其复杂。
它的基因组大约是我们自身基因组的六倍大,其基因分布在六组染色体中(我们人类只有两组)。事实上,T. aestivum 基因组包含来自三种不同“亲本”祖先草的基因组片段,这些草被培育出来创造了小麦。
这种复杂性以及小麦高水平的重复序列(大约 80% 的植物 DNA 以重复或三倍形式出现)阻碍了早期对其完整基因组进行测序的尝试,而这长期以来被认为是改进小麦种植以养活不断增长的人口的关键。(人类人口所吃的卡路里中大约有五分之一来自小麦。)现在,一项新的研究工作已经获得了该序列的重要片段。研究结果于11月28日在《自然》杂志上在线发表(《大众科学》是自然出版集团的一部分)。
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小麦的遗传复杂性很大程度上源于人类长期以来驯化该作物的历史。我们现在所知的这个物种大约在 8000 年前出现,是山羊草(Aegilops tauschii)和二粒小麦(Triticum dicocoides)的杂交品种,而二粒小麦本身就是一个杂交品种,包含四个染色体上的两个亲本基因组。
为了获取普通小麦的基因组,研究人员需要一种快速高效的测序技术,该技术可以处理 17 千兆碱基的遗传密码。该团队选择了鸟枪法测序,其中基因组的随机片段被分解成块,复制,然后在检测到重叠模式时重新组装。
为了帮助解析混乱的遗传密码,研究人员将小麦的遗传数据与其他谷物(如玉米和水稻)的遗传数据进行了比较。他们还将新的序列映射到三种不同亲本基因组的已知最亲近的亲缘关系:A. tauschii、Aegilops speltoides 和 Triticum urartu,以及包含 T. urartu 和 A. speltoides 基因组的 Triticum durum(硬粒小麦)。能够将超过三分之二的基因分配给三个各自的祖先基因组“对小麦研究人员特别有价值,因为它允许他们区分基因和 DNA 标记”,阿德莱德大学澳大利亚植物功能基因组学中心的 Peter Langridge 在同一期《自然》杂志上发表的一篇文章中写道。他指出,这种匹配可能是一个“困难且耗时的过程”。
通过这些方法,研究人员估计普通小麦基因组包含大约 94,000 到 96,000 个单独的基因。随着时间和育种而扩张的许多基因组与生长和能量利用有关。更好地了解这些基因的位置可能有助于作物科学家进一步改进不同性状,以提高产量、耐旱性和抗病性或营养概况。
科学家们尚未完全破解小麦基因组。“这只是全球努力产生面包小麦基因组序列高质量草图的第一步,”加州大学戴维斯分校植物科学教授、新研究的合著者 Jan Dvorak 在一份准备好的声明中说。尽管如此,该分析代表了一个重大进展,应该会产生实际的好处。“基因组中遗传标记的鉴定将有助于育种者加速小麦育种过程,并将多个性状整合到一个育种计划中,”该研究的合著者、利物浦综合生物学研究所的 Anthony Hall 在一份准备好的声明中说。“这项研究正在为解决全球粮食短缺问题的持续工作做出贡献。”