小麦族作物基因组生物学的里程碑与未来展望

摘要：小麦族（Triticeae）是禾本科（Poaceae）早熟禾亚科下的一个重要族，包含了小麦、大麦、黑麦等多种主要谷类作物及其野生近缘种。作为新石器时代农业革命的奠基作物，小麦和大麦至今仍是全球温带地区最重要的主粮和饲料来源。然而，与水稻、玉米等模式作物相比，小

小麦族（Triticeae）是禾本科（Poaceae）早熟禾亚科下的一个重要族，包含了小麦、大麦、黑麦等多种主要谷类作物及其野生近缘种。作为新石器时代农业革命的奠基作物，小麦和大麦至今仍是全球温带地区最重要的主粮和饲料来源。然而，与水稻、玉米等模式作物相比，小麦族作物的分子遗传学研究曾一度滞后。这主要是由于其基因组异常庞大且复杂：例如，普通小麦的基因组大小约为人类基因组的5倍，高达16Gb，且为异源六倍体，包含三个亚组（A、B和D）；同时，其基因组中含有超过85%的重复序列。这些特点给基因组测序、组装以及功能基因的克隆带来了巨大挑战，严重制约了分子设计育种技术在小麦族作物改良中的应用。

北京大学与中国科学院的Yuling Jiao、Hang He团队合作，在《Frontiers in Plant Science》杂志发表了题为“Triticeae crop genome biology: an endless frontier”的综述文章。该文系统总结了在先进测序技术的推动下，全球科学家在揭示小麦、大麦、黑麦等小麦族作物基因组方面取得的里程碑式进展，涵盖了高质量参考基因组的构建、泛基因组分析、重测序分析及其在揭示驯化和环境适应遗传基础中的应用，并为该领域的未来研究方向，包括基因组结构变异的鉴定、非编码区功能挖掘、野生资源优异基因渗入、基因组编辑以及基因组资源整合等，提出了前瞻性的展望。

测序技术革命推动小麦族基因组学研究进入快车道

在过去二十年中，测序技术的发展，特别是从二代测序（NGS）到三代测序（如PacBio和Nanopore长读长测序）的飞跃，极大地推动了小麦族复杂基因组的解析。

大麦：小麦族基因组测序的“先行者”：作为小麦族中的二倍体模式作物，大麦基因组的测序工作率先取得了多次技术突破。从最初基于流式细胞分选染色体的草图，到结合Hi-C技术实现染色体级别的高连续性组装，再到利用三代测序技术获得高质量的参考基因组（如Morex V3），大麦基因组的组装质量（以Scaffold N50衡量）在十年间提升了数万倍（从1.4 kb到118.9 Mb）（表1）。对青稞（藏区裸大麦）和野生大麦的测序则为研究作物对高海拔等极端环境的适应性机制提供了宝贵资源。

小麦：从“不可能”到“高质量”的跨越：普通六倍体小麦的基因组是迄今为止被测序的最复杂的作物基因组之一。其解析过程堪称基因组学史上的壮举，主要经历了以下阶段：

分而治之：早期研究从单个染色体（如3B染色体）入手，为全基因组测序提供了概念验证。

草图绘制：国际小麦基因组测序联盟（IWGSC）通过全基因组鸟枪法测序，发布了首个小麦基因组草图。

高质量参考基因组：结合BAC-by-BAC、高密度遗传图谱、Hi-C和光学图谱等多种技术，研究人员最终完成了高质量的参考基因组（IWGSC RefSeq v1.0），将超过97%的序列锚定到了21条染色体上。

持续优化：利用PacBio长读长等新技术，参考基因组的连续性和完整性仍在不断提升（如IWGSC RefSeq v2.1）。同时，对小麦的二倍体祖先种（如乌拉尔图小麦T. urartu，A基因组供体；粗山羊草Ae. tauschii，D基因组供体）和四倍体祖先种（如野生二粒小麦，AABB基因组）的测序，极大地促进了对小麦复杂进化历史的理解（图2）。

黑麦及其他野生近缘种：近年来，黑麦（Secale cereale）以及长穗偃麦草（Thinopyrum elongatum）等野生近缘种的高质量基因组也相继完成。这些物种是小麦抗病、抗逆改良的重要基因库，其基因组的解析为优异基因的转移和利用奠定了基础。

图2

泛基因组分析揭示小麦族作物的遗传多样性

单个参考基因组无法完全代表一个物种的全部遗传信息。泛基因组（Pan-genome）旨在捕获一个物种内所有个体携带的全部基因，包括核心基因和可变基因（如存在/缺失变异，PAVs）。

小麦泛基因组：通过对全球范围内多个代表性小麦品种进行从头组装，构建了小麦的泛基因组。研究发现，小麦种内存在大量的基因组结构变异和来自野生近缘种的基因渗入，这些变异与产量、品质、抗逆性和环境适应性等重要农艺性状密切相关。

大麦泛基因组：对近两万份大麦种质资源中的20个代表性品种进行泛基因组分析，不仅清晰地解析了大麦的育种历史，还鉴定出了现代优良品种中两个频繁被选择的染色体倒位。

泛基因组研究从更广阔的视角揭示了小麦族作物的遗传多样性，为挖掘新的优异基因资源提供了有力工具。

进化基因组学分析重现小麦的驯化与传播历史

通过对全球范围内数以百计的小麦地方品种和现代栽培种进行大规模重测序，科学家们得以重现小麦的驯化、传播和现代育种历程（表2）。

传播路径：基因组数据证实了长期以来的假说，即面包小麦在新月沃地起源后，沿着两条主要路线（一条向欧洲，一条向亚洲）伴随人类迁徙而传播。

局域适应：在传播过程中，小麦种群为适应当地环境而分化，形成了丰富的地方品种资源。例如，独特的印度圆粒小麦（T. aestivum ssp. sphaerococcum）被证明是一个地理上隔离、遗传多样性较低的类群。

现代育种的遗传印记：分析发现，现代育种过程导致了大量存在于地方品种中的遗传变异丢失，即“遗传瓶颈”效应。同时，现代育种也存在明显的选择偏好，例如中国的小麦育种受到了欧洲品种的显著影响。通过对过去70年中国小麦里程碑品种的重测序，清晰地揭示了三个亚基因组在育种过程中的不对称选择和强烈的奠基者效应。

表2

表观基因组学研究开启调控新维度

随着基因组信息的完善，研究进入了更高维度的表观遗传学层面，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质三维结构等（表3）。研究发现，小麦的三个亚基因组及其二倍体祖先的DNA甲基化模式高度保守。在多倍化过程中，DNA甲基化和组蛋白修-H3K27me3/me2发生了动态且可逆的变化，这些变化与基因表达和转座子活性的调控相关。此外，利用Hi-C和OCEAN-C等技术揭示了小麦染色质的三维结构，发现不同亚基因组在细胞核内占据各自的“领地”（territories），这种空间隔离对维持多倍体基因组的稳定性至关重要。