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黑麦缘何成为小麦族的“黑马”

2021-03-30 光明网 【 字体:

  ▲在西藏海拔3900米重度退步草地种植的黑麦作物。武俊喜摄

  麦类作物里,大师熟知的有小麦、大麦,实在黑麦也非常紧张,是欧洲一些国度的紧张食粮和饲料作物。欧洲的黑麦面包、俄罗斯出名特产大列巴面包和格瓦斯饮料,都是以黑麦为重要质料制造而成。

  黑麦对自然界不良前提有很强的顺应才能,这令良多育种家入神。但是,由于黑麦属于异交作物,存在自交不亲和性,并且具有极其庞杂的基因组,致使其基因组精致物理图谱的组装非常艰苦,这对付寰球麦类基本和应用研讨来讲都是一个非常大的挑衅。

  克日,河南农业大学农学院团结国际多所大学和科研单元办理了这项困难,实现了黑麦基因组精致图谱的组装,提醒了黑麦基因组布局与演变的独特征及其淀粉分解、贮存卵白、抽穗期和驯化等相干基因的基因组特点,该效果对麦类作物遗传改进存在紧张领导感化和有用代价,揭晓于《自然—遗传学》。

  构建高质量精致图谱

  种植黑麦属于禾本科小麦族黑麦属,与小麦和大麦是嫡亲,是小麦和小黑麦改进的紧张遗传资本,也是高效发展小麦族动物对照基因组学研讨不可或缺的紧张质料。

  黑麦堪称是小麦族的一匹“黑马”,由于黑麦在极其的泥土和天色前提下依旧能够发展。

  “比方高海拔、严寒、贫乏泥土等前提,黑麦都能茁壮成长,在这些处所,种植黑麦的效益远高于小麦。”论文配合第一作者、河南农业大学农学院动物基因组学与份子育种中间研讨员杨建平报告《中国科学报》,若是能把这些优良的基因转移到小麦里,就能够帮忙小麦“进级革新”。

  “使用黑麦为亲本培养出的小黑麦兼具黑麦的环境顺应性和小麦的产量潜力,在我国每一年种植面积约为450万亩,在欧洲种植面积很大,约有6000多万亩。”论文配合通信作者、河南农业大学农学院动物基因组学与份子育种中间研讨员王道文在接管《中国科学报》采访时引见。

  并且,作为介于小麦和大麦之间的物种,黑麦在退化位置上也至关紧张。今朝小麦和大麦基因组精致图谱都已有了,惟独不黑麦的图谱,科学家意想到,只要把黑麦的基因组完全剖析,小麦族的对照基因组学研讨才算完备。

  这谈何容易。与小麦和大麦比拟,黑麦有一个特征就是自交不亲和,须要异花授粉来传宗接代。杨建平指出,如许带来的题目就是,黑麦基因组杂合度很高,绝对付其余二倍体麦类基因组,黑麦的基因组加倍庞杂。

  “只管黑麦基因组与其余二倍体麦类一样只要14条染色体,但巨细却快要8 Gb,是水稻的25倍、玉米的4倍和大麦的1.5倍,是一个非常重大的基因组,并且有非常多高度相似且串连的反复序列,以是全部基因组测序和组装都非常困难。”论文配合第一作者、四川农业大学副教授任天恒在接管《中国科学报》采访时说。

  “配角”选用的是四川农业大学供应的中国种植种类“威宁黑麦”。该校20多年前在贵州威宁地区网络到这份“威宁黑麦”种类,并在实验室实现多代自交后产生了“靠谱”的纯合自交系质料。“要做异花授粉动物的基因组测序,不一个高度纯合的质料做基本是不能够实现的。”任天恒暗示。

  恰是使用“威宁黑麦”,河南农业大学和四川农业大学、北京大学和百迈客生物科技公司等多家单元,克制重重艰苦,综合使用多项技巧,初次胜利构建“威宁黑麦”基因组的高质量精致物理图谱。

  “这是今朝寰球组装实现的最庞杂的二倍体禾本科物种基因组,弥补了禾本科物种基因组信息的紧张空白,为作物基因组学研讨和紧张农艺性状功效剖析供应了非常名贵的遗传信息资本。”王道文说。

  黑麦的来源和驯化

  有了测序成效,就能够探讨黑麦的全部演变汗青。

  “黑麦最后是一种野草,在状态上与小麦和大麦相似,因而在田间制止了被当作杂草移除,后因其凸起的抗旱、抗寒和抗病才能,在小麦和大麦流传进程中失掉渐渐驯化,从而构成如许一个特别的麦类作物。”论文配合第一作者、河南农业大学博士李广伟引见,经由剖析全部黑麦全基因组的驯化位点,他们发明一些基因能够剖析种植黑麦驯化的基因组特点,为黑麦的拟态演变假说供应了份子机制。

  黑麦的演变汗青有几个紧张的时候节点。黑麦与小麦、大麦的配合先人在约莫960万年前~1500万年前产生分化。

  在杨建平看来,相较小麦和大麦而言,黑麦的驯化水平绝对较低,算是“半驯化”,以是黑麦残留了良多原始基因。自然界经由了一个很庞杂的挑选进程,加上动物自身的妥协和决定,“偶合”地培养了本日的黑麦物种。

  在这个庞杂二倍体禾本科动物里,科研职员还审定到两万多个基因复制景象。他们把黑麦的基因复制与小麦、大麦的做了比照后发明,在全部黑麦退化进程中,产生过两次对照明明的基因组扩大事宜。

  “一次约莫产生在170万年前,这与大麦的扩大时候亲近;另一次约莫产生在50万年前,这与四倍体小麦的扩大时候近似。”李广伟暗示,在退化路上,种植黑麦的遗传多样性也在接续下降。

  在李广伟看来,基因复制能够为基因新功效的分化产生新的资本,并且能够为物种在分歧前提下的顺应性演变供应一个需要基本,这在必定水平上注解了为何黑麦能够在一些极其前提下存在凸起的抗性和极强的顺应才能。

  定位功效基因,剖析农艺性状

  在寰球范畴内,6180多万亩的种植面积临盆了11.2百万吨的黑麦。亚洲进献了寰球13%的黑麦产量,个中50%来自中国。

  黑麦非常紧张,不只自身是一种农作物,并且供应野生分解异源六倍体和八倍体新物种小黑麦基因组的三分之一或四分之一。

  “小黑麦是一种非常有代价的作物,这是由黑麦和小麦举行工钱杂交产生的一个自然界本不存在的物种,把小麦的高产特征和黑麦应答极其环境的顺应才能集于一身。”王道文暗示,小黑麦生物量和子粒产量远高于黑麦,在寰球遍及种植。

  杨建平引见,寰球与黑麦有“血统”关联的小麦种类占比非常高,今朝中国约莫50%小麦种类照顾黑麦的染色体,该类种类在南方冬麦区和黄淮冬麦区中占领主导位置。由黑麦和小麦远缘杂交产生的1BL/1RS易位系,能明显进步小麦的抗病性和产量,为保障我国和天下小麦临盆和食粮宁静起到了至关紧张的感化。

  此次“威宁黑麦”中一共注解到了45596个高可信度基因,这些基因中有1989个抗病相干基因。接下来,研讨职员还会发掘黑麦耐瘠薄、耐旱、耐寒的优良基因。

  “咱们能够更准确地使用份子标记辅助育种,有目的性地把黑麦的优良基因转移到小麦里阐扬感化,为小麦遗传改进供应实质性的帮忙。”任天恒说。

  “此次,咱们还找到了一些黑麦驯化背地的基因,比方增进早着花的基因。农作物育种都愿望恰当收缩作物生育期,在保障产量的环境下尽早着花、延迟成熟,如许能够避开前期的自然灾害,也能够节俭更多时候为下一茬作物的种植做好准备。”王道文说,以黄淮麦区小麦为例,恰当早熟就能够避开6月份的炎热或暴雨天色。

  黑麦良多特别性状里,有一些与质量相干,比方淀粉分解和贮存卵白,都非常紧张。

  “黑麦基因组在演变进程中,淀粉分解通路基因产生过屡次复制事宜,‘威宁黑麦’中有9个淀粉分解基因产生了复制,复制基因的表白体例会产生转变,有能够在子粒发育进程中阐扬分歧的功效。”论文配合第一作者、北京大学现代农业研讨院研讨员何航报告《中国科学报》。

  种子贮存卵白对麦类作物加工和食用质量存在决定性的影响。

  “与淀粉分解通路基因的遍及复制分歧,黑麦贮存卵白基因与小麦和大麦比拟,阅历了部份基因缺失。”何航指出,如低份子麦谷卵白,另有一部份醇溶卵白,这有能够削弱面团的黏性;这些缺失同时增进了高份子麦谷卵白的分解,可致使面团强度的增添。这些发明能够帮忙黑麦、小麦、小黑麦进步质量。(张晴丹)

[义务编纂: 张梦凡 ]

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