黃饃饃、炸糕是我國北方的傳統(tǒng)美食，其主要制作原料大黃米學名黍稷，又稱黍子、糜子。在一萬年前的河北磁山，我國的先民已經(jīng)馴化并大量種植和儲藏黍稷。
黍稷。中國農(nóng)科院供圖
然而，隨著水稻、小麥和玉米等主糧作物的興起，黍稷逐漸成為非主要農(nóng)作物。
近年來，隨著氣候環(huán)境的變化、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及糧食安全的需求，黍稷因其生育期短、耐旱耐瘠薄、適應鹽堿脅迫環(huán)境等特點，再次受到廣泛關注。
12月1日，《自然—遺傳學》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所研究員刁現(xiàn)民團隊構建的黍稷第一個高質(zhì)量泛基因組和遺傳變異圖譜。該研究系統(tǒng)性解析了黍稷品種資源的群體結構、起源演化歷史與基因組馴化特征，發(fā)掘了139個黍稷重要農(nóng)藝性狀相關位點和基因。
論文匿名審稿人認為，這項研究意義重大，能夠有力推動黍稷這種未得到充分利用的作物的發(fā)展，也可以讓科學家在更廣泛的背景下理解禾本科植物的馴化。
黍稷起源于中國
“古道入秋漫黍稷，遠坡乘晚下牛羊。”宋朝詩人韓琦描寫了秋天里大路兩旁黍稷豐收在望的景象。由此可見，黍稷在宋朝時是我國的主要糧食作物。實際上，“黍”字在甲骨文中已有記載，且出現(xiàn)次數(shù)最多，是我國北方先民最早栽培的禾谷類作物，為旱作農(nóng)耕文明的建設做出了突出貢獻。而《詩經(jīng)》里也多次出現(xiàn)關于黍稷的描寫。
黍稷屬于禾本科黍?qū)?，其顆粒比小米顆粒略大，分軟硬兩種。它營養(yǎng)豐富，適合做成多種美食，是高海拔、高寒、干旱貧瘠地區(qū)的主要作物。
“黍稷是一個抗逆的先鋒作物，也是穩(wěn)產(chǎn)保收作物，災后補救作物。只要種下了黍稷，能出苗就能有收成?！?論文共同通訊作者刁現(xiàn)民說，1927年，美國科學家歷時7年對多種禾本科作物進行了深入比較，結果發(fā)現(xiàn)黍稷這種作物是最抗旱、最節(jié)水的。
“目前我國的黍稷主要在西北地區(qū)種植，每年種植面積約900萬畝?！钡蟋F(xiàn)民說, 西北黃土高原的老百姓每年都要種上2-3畝黍稷，因為它能保證有收成。一般黍稷畝產(chǎn)可達300-400斤每畝。
關于黍稷的起源，曾經(jīng)有一些爭論。但近年來，大家已經(jīng)公認黍稷起源于中國?！笆蝠?、谷子和水稻是三個起源于中國的作物?！钡蟋F(xiàn)民說，谷子、黍稷在中國的北方種植，水稻在中國的南方種植。這是我國先民對世界糧食作物（禾本科）三大作物的貢獻。
經(jīng)過考古發(fā)現(xiàn)，這三種作物，除了傳播到我國的各個地方，還傳播到了世界各地，為世界農(nóng)業(yè)文明發(fā)展做出了貢獻。論文共同通訊作者、作科所副研究員湯沙介紹，如今在歐洲，烏克蘭、俄羅斯是主要的黍稷生產(chǎn)國；美國最近這幾年發(fā)展比較快，主要將其做飼料用；我國是黍稷生產(chǎn)大國，主要產(chǎn)地在西北和東北地區(qū)。
盡管我國是黍稷的起源地，但關于黍稷最早的研究卻是美國和英國科學家完成的?！笆蝠⒌霓r(nóng)藝性狀多樣性低，育種進展慢，受光溫環(huán)境影響很大，已有的表型鑒定很少，這些問題都亟待解決。在黍稷的馴化和育種過程中，哪些基因受到了選擇，也缺乏相應的研究。我們感到有責任把它研究明白?！钡蟋F(xiàn)民說，目前仍缺乏對黍稷品種資源群體遺傳結構、基因組變異、馴化和育種相關功能基因等系統(tǒng)性的基礎研究，制約了黍稷育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
十年時間構建核心種質(zhì)群體
資源是育種的芯片，如何科學利用資源，需要對資源進行深入研究。刁現(xiàn)民說，全世界黍稷種質(zhì)資源大概有4萬多份，我國有1萬多份。我國是世界上黍稷種質(zhì)資源種類最多、分布最廣泛的國家。
2008年，國家谷子現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系成立的時候，作為首席科學家的刁現(xiàn)民開始思考谷子等小作物的資源搜集、整理和利用的問題。那時候，黍稷野生種、農(nóng)家種和現(xiàn)代育成種群體結構和演化關系歷史不清，黍稷起源中心還有爭論和不同觀點。
為了調(diào)研黍稷的核心種質(zhì)資源，2009年，刁現(xiàn)民開始在我國西北和東北地區(qū)走訪?！拔铱吹嚼习傩盏牡乩锓N的黍稷，雖然說是不同的品種，看起來差異卻很小。他們甚至還用這些品種做雜交育種?！痹诘蟋F(xiàn)民看來，這些黍稷都是農(nóng)家種，人工選育的痕跡并不明顯。“那時候我就察覺黍稷的遺傳多樣性很低?！彼f，這更加堅定了他要把黍稷研究明白的想法。
他們用10年時間構建了黍子的核心種質(zhì)群體，包括63份野生種、415份農(nóng)家品種和38份現(xiàn)代栽培種。有了核心種質(zhì)群體后，他們對其進行了高覆蓋率的重測序，并進一步成功從頭組裝了32個高質(zhì)量基因組，并由此構建了黍稷的泛基因組。研究結果將黍稷的野生種和栽培種清楚地分開，而栽培種又可以分為三類。
論文共同通訊作者陳金鋒介紹，研究發(fā)現(xiàn)，中亞/歐洲群的材料與甘肅和新疆栽培品種的遺傳結構相似，證實了黍稷的單起源理論，并為黍稷經(jīng)由河西走廊、我國新疆傳播至中亞與歐洲提供了理論基礎，是目前最系統(tǒng)和翔實的黍子資源遺傳多樣性分析。
“在中國馴化以后，黍稷大概在4500年前后開始傳到了中亞，到3500年前后傳到了歐洲，為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了貢獻?！钡蟋F(xiàn)民說。
從破解基因組到育種
中國科學院院士、作科所研究員錢前說，栽培黍稷具有生育期短、抗旱、耐瘠薄、適應性廣等突出特性，是我國旱作農(nóng)業(yè)的代表性農(nóng)作物，在治理荒漠、開墾荒地中是先鋒作物；因生育期短，也是眾所周知的作救災作物。
“近年來，干旱加重和氣候變暖加速，大家更為關心農(nóng)業(yè)持續(xù)性和糧食安全，黍稷又成了熱點。因為它屬于典型的環(huán)境友好型作物。但對于這種生態(tài)友好型、有特色的作物，之前對它的研究較少。想要讓黍稷在糧食安全中發(fā)揮更大的作用，需要了解它的基因組和遺傳變異特點?！卞X前說。
刁現(xiàn)民團隊成功構建了首個黍稷泛基因組，鑒定出5663個受馴化選擇的結構變異，為研究黍稷馴化過程中的基因組變異提供了重要的數(shù)據(jù)支持。
隨后，他們又結合2年7個地點的黍稷表型精準鑒定數(shù)據(jù)，開展了全基因組關聯(lián)分析和群體變異研究，挖掘到多個與落粒、穗型、粒色等農(nóng)藝性狀形成相關的基因位點。中國工程院院士、華中農(nóng)業(yè)大學教授張獻龍認為，這些研究成果為黍稷未來的生物育種奠定了堅實的理論基礎，同時也為其他作物種質(zhì)資源研究和育種研究提供了寶貴的參考。
錢前說，該項研究是黍稷研究領域目前發(fā)表的最高水平的論文。相關研究的完成展示了研究團隊在黍稷基因組學領域的重要貢獻和國際領先地位，為黍稷的基因組研究奠定了堅實的基礎，為后續(xù)的抗性改良等分子育種工作提供了重要的參考，也為進一步推動黍稷這一重要谷物資源的利用和研究帶來了新的機遇。
談到進一步研究時，刁現(xiàn)民說：“為什么黍稷的多態(tài)性那么低，育種長期不進步？其中最重要的一個原因是基因組變異水平低，表型多樣性低，也是限制育種進步的關鍵?！?/p>
他們將黍稷野生種、栽培種的多態(tài)性和谷子、水稻、大豆比較后發(fā)現(xiàn)，黍稷的多態(tài)性只相當于水稻的20%?！叭绾螐幕蚪M和表型上創(chuàng)造更多的遺傳多態(tài)性是未來黍稷育種要關注的一個點?！?/p>
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41588-023-01571-z
