小米是我國(guó)北方日常飲食中的重要糧食之一，產(chǎn)出小米的植物叫“谷子”。作為一種古老的作物，谷子是從狗尾巴草馴化而來(lái)，但其馴化改良的過(guò)程一直成謎?，F(xiàn)在，這個(gè)謎題終于解開(kāi)了。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所刁現(xiàn)民團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)十年研究，組裝了谷子第一個(gè)高質(zhì)量圖基因組，繪制了首個(gè)狗尾草屬變異圖譜，系統(tǒng)闡明了谷子起源及馴化改良的過(guò)程。相關(guān)成果于北京時(shí)間昨天（8日）23時(shí)發(fā)表在《自然·遺傳學(xué)》上。谷子的基因密碼是如何解開(kāi)的？這對(duì)谷子的未來(lái)發(fā)展有什么重要意義？
谷子：古老的作物 曾經(jīng)的主糧
谷子是世界上最古老的馴化作物之一，也是亞洲農(nóng)耕文明形成的主體作物。谷子在農(nóng)耕文化中長(zhǎng)期占據(jù)主糧地位。隨著小麥水稻等作物綠色革命的興起，谷子作為主糧的優(yōu)勢(shì)被逐步削弱。時(shí)至今日，谷子的籽粒小米依然深受人們喜愛(ài)。我國(guó)老一輩科學(xué)家早在1942年就確定了青狗尾草是谷子的野生祖先。但目前，與其他大作物相比，谷子產(chǎn)量水平仍然很低，主要原因是人們對(duì)谷子的育成種群體結(jié)構(gòu)、演化歷史等沒(méi)有清楚的認(rèn)識(shí)。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)民進(jìn)一步解釋，最根本的問(wèn)題就是要解讀出谷子的基因組這部“天書(shū)”。
刁現(xiàn)民：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、在圖基因組上沒(méi)有什么信息，因?yàn)樵瓉?lái)測(cè)序深度都很低。資源的表型鑒定，就是記錄一些信息，沒(méi)有可重復(fù)，記錄信息不完整。在馴化和谷子育種中，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。
幾十年如一日
繪制出首個(gè)谷子高質(zhì)量圖基因組
1987年，大學(xué)畢業(yè)的刁現(xiàn)民便開(kāi)始搜集谷子的種質(zhì)資源，逐步進(jìn)行系統(tǒng)化研究。三十多年間，研究團(tuán)隊(duì)收集了1004份栽培谷子和野生谷子，結(jié)合已發(fā)表的840份材料，共1844份種質(zhì)資源，利用深度重測(cè)序?qū)茸舆M(jìn)化進(jìn)行了詳細(xì)的群體遺傳分析。在中國(guó)農(nóng)科院作科所所長(zhǎng)周文彬的印象中，這個(gè)團(tuán)隊(duì)在田間和實(shí)驗(yàn)室“兩點(diǎn)一線”，幾十年如一日。
周文彬：我每次去他們實(shí)驗(yàn)室，黑壓壓的一片都在工作。要么在田間，要么在實(shí)驗(yàn)室里面，幾十年如一日，把谷子這樣一個(gè)雖然是雜糧作物、小作物，變成了一個(gè)大有作為的作物，與他們團(tuán)隊(duì)辛勤的努力工作，幾十年如一日的拼搏分不開(kāi)。
谷子群體遺傳特征分析 （中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 供圖）
最終，團(tuán)隊(duì)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，構(gòu)建了首個(gè)雜糧和C4作物高質(zhì)量圖基因組。
刁現(xiàn)民：經(jīng)過(guò)測(cè)序以后，對(duì)它進(jìn)行很清楚地聚類，可以很清楚地看到狗尾草是什么樣子，谷子是什么樣子。尤其是最清楚地看了谷子可以分成三類，狗尾草分成四類。我們也可以推出來(lái)，下來(lái)的春谷和夏谷是從C3最早的那一類演化而來(lái)的。
110份代表性材料及泛基因組特征（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 供圖）
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在13個(gè)地理環(huán)境下對(duì)680份資源進(jìn)行了68個(gè)性狀的表型調(diào)查，形成了226組群體表型數(shù)據(jù)和表型組數(shù)據(jù)庫(kù)；將基因組變異和表型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，發(fā)掘出1084個(gè)與表型顯著關(guān)聯(lián)的重要性狀相關(guān)位點(diǎn)。
團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)農(nóng)科院作科所博士后 賀強(qiáng)：所有的禾谷類作物，比如水稻、小麥、玉米、高粱，我們是想它的籽粒越來(lái)越大、產(chǎn)量越來(lái)越高，通過(guò)分析，我們獲得了其中一個(gè)基因叫SiGW3，通過(guò)對(duì)它的篩選，使谷子的籽粒越來(lái)越大。這是其中一個(gè)例子，我們發(fā)現(xiàn)了大量這樣的東西。
谷子基因“天書(shū)”解密
育種進(jìn)程掀開(kāi)新篇章
基因組學(xué)研究是生物學(xué)研究和精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種的基石。用中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)農(nóng)科院作科所研究員錢前的話說(shuō)，此次形成的谷子圖基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，破解了谷子基因“天書(shū)”。
錢前：他們把谷子基因組這么復(fù)雜的“天書(shū)”給破解了，這對(duì)谷子的遺傳、對(duì)禾本科的遺傳都是非常有意義的。復(fù)雜農(nóng)藝性狀是比較難以揭示它的規(guī)律的，但是現(xiàn)在有了“天書(shū)”，有了立體基因組圖，我們都可以做了。
值得一提的是，谷子基因“天書(shū)”的解密也為考古提供了有力佐證。刁現(xiàn)民表示，遺傳學(xué)證據(jù)清楚表明谷子的單起源，全世界的谷子都是來(lái)自中國(guó)。
刁現(xiàn)民：只有我們國(guó)家有1萬(wàn)年以上的谷子，從考古學(xué)上，而且考古現(xiàn)在核心點(diǎn)在哪兒，什么年代到哪兒，現(xiàn)在都很清楚。比如最古老的谷子就在門頭溝，11500年。太行山的東麓、燕山兩側(cè)也很古老，然后擴(kuò)展到四川。4000年到了高加索，3600年到了匈牙利一帶，3200年到了意大利。
小米和谷穗（圖源：視覺(jué)中國(guó)）
首張谷子圖基因組的誕生為未來(lái)谷子及其他作物育種工作提供了重要的參考和指導(dǎo)，為未來(lái)谷子在產(chǎn)量、品質(zhì)等方面的改進(jìn)打開(kāi)了一扇門。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員田志喜認(rèn)為，有了這一基礎(chǔ)，谷子從雜糧變回主糧有了可能性。
田志喜：谷子，養(yǎng)育了中華民族，孕育了中華文明，它起到的作用是不可比擬的。谷子從主糧慢慢變?yōu)榉侵骷Z，也就是咱們常說(shuō)的雜糧，大家也應(yīng)該有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)，主糧和雜糧是可以變的。比如玉米以前是引進(jìn)的，現(xiàn)在也變成了主糧。我個(gè)人認(rèn)為也可以從雜糧、非主糧變回主糧，都是有可能的。當(dāng)然怎么變回去，需要科學(xué)家的努力。
刁現(xiàn)民表示，近幾年，團(tuán)隊(duì)在繼續(xù)追求谷子產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)攻克品質(zhì)的提升，提高黃色素、葉酸等功能成分，讓我們碗里的小米更好吃、更營(yíng)養(yǎng)。
