文献解析|推动小麦精准设计育种！程时锋团队解析全球百年种质多样性

文献解析|推动小麦精准设计育种！程时锋团队解析全球百年种质多样性

小麦是全球粮食作物中的重要组成部分，是人类获取能量和营养的重要来源。普通小麦作为异源六倍体，其基因组大小约15 Gb，基因组和遗传育种研究极其复杂，被誉为作物界的珠穆朗玛峰。随着全球人口增长、极端环境频发以及小麦新品种培育的遗传增益效应逐渐减缓，科学家们急需寻找提高小麦产量、品质、抗逆性和适应性的有效途径，以保障全球粮食安全和农业可持续发展。挖掘和利用小麦的遗传和表型多样性，开发高效精准的表型鉴定、基因发现和育种应用的小麦基础科研资源和技术平台，是突破小麦育种障碍、开展全基因组设计育种、培育新一代高产优质小麦品种的必然之路。

2024年6月17日，中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所程时锋团队联合国内外优势单位在Nature发表了题为《Harnessing Landrace Diversity Empowers Wheat Breeding》的研究论文。该研究引进了英国John Innes Centre研究所保藏的百年前收集的来自世界三十多个国家的全套小麦种质资源（827份A.E.Watkins小麦地方品种和220份全球现代品种），开展了小麦群体全基因组变异图谱构建、大规模的表型鉴定、遗传作图群体构建，以及挖掘了控制137个性状背后的候选基因、单倍型和相关变异等系列工作。

该项工作追溯了现代小麦品种中丢失的遗传多样性宝库，综合运用基因组学、遗传学、生物信息学和分子生物学等多学科手段，量化并验证了当前小麦育种中未被利用的大量优异变异。这一成果是程时锋研究员发起国际“谷 - 豆”计划以来迈出的重要一步，是全球小麦科学研究的一大里程碑，为全球农业科技发展贡献了中国智慧和力量。

该项研究对小麦基础科研和育种应用的重要意义，要从过去一个世纪的农业绿色革命说起。开始于20世纪60-70年代的农业绿色革命，主要集中在通过培育和推广半矮秆稻麦品种来提高作物适应化肥施用量的增加、减少倒伏的能力，通过提高收获指数从而显著提高产量。然而，育种过程中偏好性选择那些控制矮杆和能显著提高收获产量的特定基因，会忽略大量的其它可能有益的遗传变异，遗传范围狭窄的单一品种的选育、杂交和推广，会导致小麦现代品种多样性的丢失，遗传多样性频谱过于狭窄，使农业生态系统更加脆弱，不利于应对复杂的病虫害和气候变化的影响。

沃氏小麦地方品种资源由英国植物学家A.E. Watkins于20世纪二三十年代通过广泛的国际贸易于全世界各地收集而来；在21世纪的过去几十年，经过多年的调查和鉴定确定其中827份为核心种质，广泛用于研究。这827份地方品种主要来源于欧洲、亚洲和非洲的32个国家。这套材料的收集时间为绿色革命之前，这一时间点对现代小麦育种具有特别重要的意义。

2018 - 2019年，程时锋团队引入多样性的全球地方品种种质资源到中国，在广东等多地开展全面的表型鉴定与杂交试验，评估其适应性并形成史无前例的小麦表型组矩阵。研究发现现代小麦品种的遗传多样性较之下降了至少60%，且主要源自两个祖先群体，而另外五个祖先群体则蕴含着大量未被利用的遗传变异。

经过大量田间性状调查与分析，研究团队揭示了性状间的遗传互作关系，尤其是生理上的拮抗关系（负相关性），如产量与花期适应性、产量与籽粒蛋白质含量、生物量与收获指数、粒重与单株粒数等。系统地从遗传角度深入理解和有效解除这些关键性状的拮抗关系，是未来进一步聚合不同来源优良性状的关键一步，也是小麦基因组设计育种的重要理论基础。

在大规模引入国际种质资源后，研究团队携手国际合作者，提出了一种面向小麦全基因组设计育种的4D策略（Decode解码，Discover发现，Design设计，Deliver实现），旨在为小麦从基因组到育种（G2B，Genome to breeding）的全链条贯通提供系统性解决方案与工具。

解码（Decode）：系统开展多样性种质资源的遗传与表型变异图谱绘制工作，对引进的小麦种质群体基因组信息进行深度解析，全面构建全球小麦单倍型图谱，深度挖掘其中潜在的、未被开发的基因资源及有利变异。研究发现，现代小麦的遗传多样性相对狭窄，Watkins种质中有67%的特有变异未被现代小麦育种所利用。

发现（Discover）：通过QTL作图、自然群体与NAM群体的全基因组关联分析等技术手段，团队共鉴定出超过8000个具有遗传效应的位点，并深入分析了这些位点中Watkins所携带的有利变异。

设计（Design）：在解码与发现的基础上，团队深入剖析各大性状间的相关性，精准量化携带特定有利性状与优异遗传变异的品系特征，致力于打破性状间的不利连锁（trade-off）。为此，团队开发了高密度基因芯片，以及一系列针对特定目标性状的遗传分析、聚合和分子标记辅助检测工具，为育种应用筑牢坚实基础。

实现（Deliver）：研究团队与英国各团队协同合作，将筛选出的100余个高质量Watkins亲本所携带的特有有利等位基因片段（QTL位点）通过杂交、回交等育种手段导入现代品种，成功构建了700多个单片段替换系。这一过程充分验证并利用了Watkins小麦在产量、抗病性、营养品质等性状上对现代小麦育种的显著价值，为未来精准智能育种奠定了坚实基础。

值得注意的是，研究团队还构建了小麦基因型数据、单倍型数据和表型组数据整合平台，以及各种育种工具，为全球小麦研究者提供了一个共享的数据资源。将Watkins种质资源、基因组、表型组和育种目标进行全面数字化，为全球小麦育种和科学研究提供了宝贵的数据资源，推动了小麦遗传研究的国际化和信息化。

该成果作为近年来我国农业领域国际合作的典范，成功实现了“技术输出”与“资源引进”的有机结合，其合作成果赢得了国际同行的广泛赞誉。以此为契机，程时锋团队正积极与欧洲、美国以及国际玉米小麦研究中心等机构拓展合作领域、深化合作内涵，共同发起了“GlobalWheatG2B”等国际合作项目。旨在进一步加强全球小麦种质资源的引进与本地化工作，持续为我国小麦育种产业注入新的活力，助力我国小麦种业的发展与振兴，为全球农业科技发展贡献中国智慧和力量。