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小麦身世大揭秘:没想到它的祖宗们如此多情

天方烨谈 <更多内容 2017-11-15 23:19:30

之前我们谈过水稻(中日两国曾为水稻基因组明争暗斗,如今日本却......),谈过土豆(改变历史的除了英雄,还有土豆),今天谈一谈小麦。小麦、水稻和玉米是全世界三大主粮。土豆作为第四大主粮,也被很多国家用作战略储备。

预计到2050年,世界人口会从70亿,增加到90亿。人越来越多,地越来越少。要满足全球“吃货们”对粮食持续增长的需求,就必须培育出高产量的农作物。所以说,女同胞们天天喊着要减肥,在一定程度上减轻了农业科学家们的压力(手动点赞)。

虽然中国人吃米饭比较多,但在中国北方、欧洲、印度和非洲等地,小麦是一种非常重要的食物来源。然而,近年来,因为气候变暖,灾害频发,全球小麦生产受到很大威胁,产量出现波动。所以,科学家们都在想方设法培育优良的小麦新品种,这其中就包括利用基因测序技术对小麦的基因组进行测序和分析。

其实,测定小麦的基因组并非易事,因为它非常复杂。说到这,必须先说一说小麦的历史。

水稻起源于中国,玉米来自安第斯山,小麦则是来自于大约250万年前的西亚。小麦有一个近缘的属,名为山羊草属。两者分开后,小麦这个属,就只有它这孤零零的一个种。

又过了差不多150万年,也就是到100万年前,这个种子逐渐独立演化成两个互相不会杂交、彼此分开的物种,称为一粒小麦和乌拉尔图小麦。据推测,在50万年前,有一株遗传学上称为AA的二倍体乌拉尔图小麦跟一株二倍体的山羊草遇到了一起。这两个在250万年前刚刚分手的物种,机缘巧合之下产生了后代。简单地理解,就是乌拉尔图小麦和二倍体山羊草之间杂交了,生了一个异源二倍体的“孩子”。

如果称乌拉尔图小麦为AA,这个山羊草称为BB,那么它们生出来的异源二倍体“孩子”的基因就变成了AB。然后,因为环境温度骤变,导致它的纺锤丝没有形成,即有丝分裂、减数分裂没有成功完成,那么它们的“孩子”即这个异源二倍体AB的染色体就发生了加倍,变成了异源四倍体,它的基因型就变成所谓的AABB。

又过了一段时间,大概是8千到1万年前的时候,这个异源四倍体的AABB又遇到它的“白马王子”——野生的粗山羊草,在遗传学的定义叫DD。然后,它们坠入爱河,产生了一个特别有趣的异源六倍体,基因型是AABBDD。一个具有诸多优良性状的、杂交的异源六倍体诞生了。在此之后,人类就通过不断地自然选择、人工驯化,形成了今天的普通小麦。这就是小麦的前世今生。

早期野生小麦的主要栖息地是在亚洲大陆西海岸中纬度地区。在这个地区,形成了全球比较少见的地中海气候,冬季温和多雨,夏季炎热干燥,而且特别漫长。为了熬过一个漫漫的夏季,野生小麦逐渐变成一年生的植物,种子在冬季到来之前先萌发,以幼苗的形式越冬,然后在春季迅速拔高,开花结果。等酷夏来的时候,全株已经死亡,只把种子留在土壤中休眠,静静地蛰伏,等待下一个冬天的到来。

正是因为每一代小麦只有不到一年的生命,所以把营养过度地用在自己身上没有益处。于是,它们就把大量的精力花在培养下一代上。结果就是,使小麦的每一个麦穗、每一个麦粒种子都变得又大又饱满,积累了充足的营养。这样的种子在亲代死后,可以在冬季顺利发芽,长大几率就更高一些。所以,人类选择这样一个富含营养的麦穗作为主粮,是情理之中的事情。

大约在1.5万年前,随着降水量明显增加,环境也改善了。有一部分人类从狩猎者转变成农民,开始了早期的农耕生活。为了收割驻地附近的野生谷物,大家开始把石头磨成一些所谓的石刀或者是早期的镰刀。正是磨制石器的大量出现,标志着人类从旧石器时代转向新石器时代。

到了1.28万年前,整个地球发生了在地质学上称为“新仙女木事件”的气候剧变,气候又重新变得干冷。这个时候,野生动植物的资源大量地减少,已经无法满足人口进一步膨胀的需求。绝望中的先民们被迫不能再依靠狩猎为生,必须学会种植一些植物,主动给自己生产粮食。西亚也是目前学术界认可的人类最早的农业起源地之一,而早就被西亚先民利用的小麦,此时也伴随着“新仙女木事件”引发的气候变冷,变成了人类首批驯化的农作物之一。

回到小麦的育种研究。小麦的育种是非常难的,原因在于它的基因组很复杂。虽然普通小麦在地里看起来都一样,小麦和水稻之间看起来也没有多大的差别,但二者的基因组差别非常大。小麦是一个AABBDD的异源六倍体,来源于三个祖先,是这三个基因组的复合体。

一个人的基因组是3个GB(约30亿对碱基),一个水稻的基因组差不多只有人的七分之一。但是,小麦的基因组有16个GB,差不多是人类基因组的5倍多,达到了水稻基因组的40倍,是目前已经测序完成的最复杂基因组之一。

也正是这个原因,小麦基因组的测序结果一直推迟到2010年才在科研论文上发表,而水稻基因组在2002年就发表了,比水稻的基因组整整晚发表了8年,小麦的相关研究也因此落后了很多。

你一定想知道,小麦基因组被解密之后,人类到底能做什么?

首先,可以培育抗病新品种。研究证实,小麦是禾本科植物,其中一个跟它离得比较近的分支就是大麦,包括青稞。大麦有一个基因功能缺失,使它可以对小麦的一种白粉病产生免疫力(这个白粉病相当于小麦当中的一种癌症)。我们可以从大麦上敲除这个基因,大麦就不会感染白粉病。在普通小麦的基因组上,也有对白粉病具有免疫力的基因。如果我们能够将小麦的这几个基因敲除,我们就有望获得抗白粉病的小麦品种。完成小麦的基因测序之后,我们就知道了在AABBDD上都有这个基因,我们就可以通过基因敲除的办法得到具有更好抗疫病能力的小麦。

另外,随着小麦基因组测序的完成,科学家就相当于把小麦整个生命图谱画了出来。通过鉴定一些控制复杂性状的基因,来明确基因与性状之间的关系,从而辅助育种。由于掌握了完整的基因图谱,科研人员就可以按图索骥,用新的工具加速育种计划,有利于加速整个小麦的遗传育种进程。

当然,因为小麦基因组过于复杂,即使我们测序完成了,也只是万里长征的第一步。真正通过基因工程研发出在产量、品质、抗性、适应性上都比较适合的小麦新品种,还要有很长的路要走。不过,无论如何,小麦这个陪着人类度过1万多年光阴的物种,有这么传奇的前世今生,相信它一定会在未来的绿色农业中大放异彩。

延伸阅读:

中日两国曾为水稻基因组明争暗斗,如今日本却......

为什么说我们吃的米饭有科技含量?

改变历史的除了英雄,还有土豆

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