10000多年前北京門(mén)頭溝的先民吃的是什么主食？4000多年前的青海人用什么做面條？是什么作物讓6000年前的中原人口第一次大幅度增加？

考古證明，答案都是谷子，也就是人們俗稱(chēng)的小米。

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(資料圖)

谷子穗。中國(guó)農(nóng)科院作科所梁紅凱攝

6月8日，《自然—遺傳》在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)在全球首次完成的谷子高質(zhì)量圖泛基因組圖譜。該研究不僅從基因組水平上證明了中國(guó)是谷子唯一起源地，而且創(chuàng)制了谷子圖基因組精準(zhǔn)高效育種方法，為培育突破性品種提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士李家洋指出，這是雜糧領(lǐng)域第一個(gè)高質(zhì)量圖泛基因組，對(duì)未來(lái)育種應(yīng)用有特殊的重要性。這一成果不僅是谷子研究又一次“里程碑”式工作，也是對(duì)“小作物—大作為”的最好詮釋?zhuān)?duì)其他作物研究具有重要推動(dòng)作用。

谷子的身份變化

谷子隸屬禾本科狗尾草屬，是世界上最古老的馴化作物，也是亞洲/中華農(nóng)耕文明形成的主體作物。

考古發(fā)現(xiàn)最早的谷子出現(xiàn)在北京市門(mén)頭溝區(qū)的東胡林遺址，距今11500年。而歐洲的谷子沒(méi)有早于3500年的。

論文通訊作者刁現(xiàn)民告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在高投入（水利、化肥、農(nóng)藥）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)到來(lái)之前，谷子在農(nóng)耕文化中長(zhǎng)期占據(jù)主糧地位。

夏商以來(lái)谷子在糧食中占有首要地位。魏晉南北朝時(shí)期，南方谷子得到空前發(fā)展，達(dá)到歷史繁盛頂點(diǎn)。隋唐時(shí)期，谷子進(jìn)入第一次衰退期，稻麥地位上升，取代谷子的傳統(tǒng)地位，形成南稻北麥的格局，但谷子仍是當(dāng)時(shí)的核心農(nóng)作物。

近代，隨著小麥水稻等作物綠色革命的突破，谷子作為主糧的優(yōu)勢(shì)被逐步削弱。“實(shí)際上谷子由一個(gè)大作物變成小作物僅僅是近40年的事。”刁現(xiàn)民說(shuō)，黑龍江在建國(guó)初期是全國(guó)最大的谷子種植省。1978年，黑龍江省的谷子種植面積達(dá)2000萬(wàn)畝；而現(xiàn)在全國(guó)谷子種植面積才2000萬(wàn)畝。

不過(guò)，谷子的籽粒小米營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，這使它成為了深受人們喜愛(ài)的雜糧。

近年來(lái)，隨著氣候變化、農(nóng)業(yè)可持續(xù)性及糧食安全的挑戰(zhàn)日趨顯著，科學(xué)家對(duì)耐旱、耐瘠薄、擁有碳四高效光合作用、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和養(yǎng)分利用效率高，具有較小的二倍體基因組、短生育周期、易轉(zhuǎn)化和易實(shí)驗(yàn)室操作的谷子，給予了新的關(guān)注和希望。

刁現(xiàn)民從1987年開(kāi)始從事谷子研究，至今已收集了20多個(gè)種1500多份各類(lèi)各樣的狗尾草屬材料。“我國(guó)的谷子農(nóng)家品種和育成品種是世界最豐富的。農(nóng)家品種大概有27000多份；育成種水平在國(guó)際上是最領(lǐng)先的。”

刁現(xiàn)民說(shuō)，要想更好的利用這些材料，必須對(duì)谷子的基因型和表型有精準(zhǔn)的鑒定。“現(xiàn)在谷子和其他大作物相比，產(chǎn)量水平仍然很低。谷子在不澆水不施肥的情況下一般畝產(chǎn)為250~300公斤；典型的高產(chǎn)田塊有水有肥的，最高產(chǎn)量可達(dá)700公斤。主要原因是我們對(duì)谷子的野生種、農(nóng)家種、育成種的群體結(jié)構(gòu)、演化關(guān)系以及歷史沒(méi)有清楚的認(rèn)識(shí)。”

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成熟的谷子。河南伊川呂店供圖

這些問(wèn)題包括，谷子基因組變異水平仍然不是很清楚，特別是在結(jié)構(gòu)變異上沒(méi)有什么信息；資源表型鑒定記錄信息不完整；在谷子的馴化和育種過(guò)程中，究竟哪些基因、哪些區(qū)段、哪些位點(diǎn)經(jīng)過(guò)了選擇，也不清楚。“這都需要我們做更深入的工作。”

繪制第一部雜糧“天書(shū)”

“今天發(fā)表的這項(xiàng)工作，其實(shí)是上述大工程的一部分，是這個(gè)大工程的副產(chǎn)品，并不是短時(shí)間之內(nèi)決定去做的一篇論文，而是隨著研究的深入、技術(shù)的進(jìn)步，與育種和生產(chǎn)需要整合起來(lái)，長(zhǎng)期積累得到的研究成果。”作為國(guó)家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的首席科學(xué)家，刁現(xiàn)民希望徹頭徹尾地搞清楚谷子這個(gè)作物，并在此基礎(chǔ)上培育出更好的品種，讓谷子在糧食系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

正是為了徹頭徹尾地搞清楚，使得谷子成為雜糧里第一個(gè)擁有圖泛基因組的作物。

所謂泛基因組是指一個(gè)物種全部的基因信息，而圖基因組則包含了一個(gè)物種基因組中所有的結(jié)構(gòu)變異。也就是說(shuō)，圖泛基因組是目前的科學(xué)技術(shù)所能繪制的一個(gè)物種最清晰、最詳細(xì)、最全面的基因組信息，相當(dāng)于物種基因組的“天書(shū)”。

刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)對(duì)谷子野生種、農(nóng)家品種和現(xiàn)代育成品種等1844份核心種質(zhì)資源群體進(jìn)行解析，從頭組裝了110個(gè)谷子和狗尾草高質(zhì)量基因組，繪制了首個(gè)狗尾草屬基因組變異圖譜，認(rèn)識(shí)了谷子資源變異的基本情況，系統(tǒng)解析了谷子馴化和改良過(guò)程中的基因組變異。

論文共同第一作者、作科所博士后賀強(qiáng)介紹，利用核心種質(zhì)——1844份谷子、狗尾草的高倍重測(cè)序，將狗尾草屬的物種清晰的聚類(lèi)。其中，狗尾草分為四個(gè)亞群。而狗尾草馴化成谷子，形成春、夏谷子亞群之前，還有一個(gè)更為古老的亞群C3，該亞群具有更廣的地理分布、更強(qiáng)的環(huán)境適宜性，對(duì)未來(lái)谷子環(huán)境適宜性改良具有重要意義。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員、中國(guó)工程院院士劉旭說(shuō)，這從遺傳學(xué)上肯定了谷子單起源中心，即中國(guó)起源中心的理論，是利用新技術(shù)進(jìn)行資源研究的典型代表。

不僅如此，他們還研究了谷子是如何馴化改良的。賀強(qiáng)介紹，他們總共鑒定出4582個(gè)和谷子馴化有關(guān)的結(jié)構(gòu)變異，152個(gè)和谷子育種改良相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異，并鑒定出680個(gè)在馴化改良中持續(xù)被選擇的結(jié)構(gòu)變異相關(guān)基因，其主要富集在生殖、光周期、色素、及氮利用等代謝途徑。

2023年是國(guó)際小米年，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織認(rèn)為小米理應(yīng)獲得重視，并在我們的膳食結(jié)構(gòu)中擁有一席之地，因?yàn)樾∶啄転槠渌魑锼荒転椋梢栽趷毫拥臍夂驐l件下生長(zhǎng)，促進(jìn)解決糧食短缺問(wèn)題；有助于健康膳食；具有氣候韌性；對(duì)增進(jìn)小農(nóng)生計(jì)大有可為；小米貿(mào)易可以增進(jìn)全球糧食體系的多樣性；在治療和制藥等領(lǐng)域的創(chuàng)新用途眾多。

發(fā)表谷子的圖泛基因組圖譜，刁現(xiàn)民認(rèn)為，這是中國(guó)科學(xué)家對(duì)國(guó)際小米年最好的支持。

建立未來(lái)育種的大數(shù)據(jù)庫(kù)

僅僅是繪制圖泛基因組，已經(jīng)是一項(xiàng)龐大的工作。然而，刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有止步于此。

“我們和別的工作做得不一樣的地方是，我們進(jìn)行了大量的表型鑒定。”刁現(xiàn)民說(shuō)，他們依靠17家單位在全國(guó)13個(gè)地方進(jìn)行了680個(gè)材料10年22個(gè)環(huán)境的基本農(nóng)藝性狀的調(diào)查，是真正的多年多點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“我們不僅調(diào)查了株高、穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)、穗粒重這些常見(jiàn)的性狀，還研究了萌芽期、苗期、全生命周期的抗旱性，落粒性、米色、籽粒的品質(zhì)性狀等，形成了68個(gè)性狀、226組表型數(shù)據(jù)，實(shí)際上就是個(gè)表型組。”刁現(xiàn)民說(shuō)，他們重點(diǎn)做了與育種有關(guān)的、更實(shí)用的性狀鑒定。例如，他們?cè)谛陆隽?年全生育周期的抗旱性調(diào)查，在山西做了3年萌芽期的抗旱性調(diào)查，在河北衡水做了苗期的抗旱性調(diào)查。

更重要的是，他們還把圖泛基因組和表型組這兩個(gè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)接，一共發(fā)掘了1084個(gè)表型相關(guān)的位點(diǎn)，其中結(jié)構(gòu)變異占到了5.8%。

論文共同第一作者、作科所副研究員湯沙告訴記者，在沒(méi)有圖基因組之前，是看不到基因組里的結(jié)構(gòu)變異的。然而，谷子一些重要的農(nóng)藝性狀，如淀粉、開(kāi)花期和穗重等，卻是結(jié)構(gòu)變異基因決定的。

“有了這些基因及其信息，我們就可以建立起來(lái)一個(gè)分子育種模塊。這些信息也給基因型、表型相互估算，靠基因型來(lái)估算表型提供了一個(gè)方法，這就是全基因組選擇育種。”刁現(xiàn)民說(shuō)，這是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以從中知道某一個(gè)性狀的最優(yōu)基因是什么。有了這個(gè)家底，以后在育種中就可以把好的基因聚攏在一起，為未來(lái)的育種提供分子和表型基礎(chǔ)。

“這讓我們更清晰的看到了基因組結(jié)構(gòu)變異對(duì)發(fā)掘基因功能的重要性。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士錢(qián)前說(shuō)。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任、中國(guó)科學(xué)院院士韓斌說(shuō)：“該工作中全基因組選擇的表型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度超過(guò)90%，使我們也看到了全基因組選擇在谷子育種中的應(yīng)用潛力。我認(rèn)為該研究不僅是谷子也是作物領(lǐng)域中‘泛基因組—數(shù)量遺傳—育種’的經(jīng)典之作，對(duì)未來(lái)作物遺傳改良具有重要指導(dǎo)意義。”

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