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那些年那些乱伦的小麦

来源:科学网博文
摘要:这一期的Science发了一期主题刊,登载了四篇小麦基因组的研究论文(均以研究长文Article的形式发表),封面也是小麦(图1)。这场革命兴起于小麦,很快波及其他作物,使粮食的产量和品质都产生了巨大飞跃。布劳格并没有获得诺贝尔科学奖项,倒是获得了诺贝尔和平奖。扯远了扯......

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这一期的Science发了一期主题刊,登载了四篇小麦基因组的研究论文(均以研究长文Article的形式发表),封面也是小麦(图1)。在导文部分,Science杂志就旗帜鲜明地指出,这些都是为了纪念伟大的Norman Borlaug博士诞辰100周年。诺曼.布劳格,这个全世界人民都应该牢记的名字,以其兢兢业业的育种实践,将科研知识应用于作物产量品质的提高,引领了作物育种的“绿色革命”。这场革命兴起于小麦,很快波及其他作物,使粮食的产量和品质都产生了巨大飞跃。这场革命产生与上世纪60年代左右,那个时候,科技的急速发展带来人性的困惑,粮食生产的不足如悬在头上的一把宝剑,战争阴霾的笼罩,使人性不断受着煎烤。当然后来的故事,读过历史也都知道,人类的反思,文学艺术的蓬勃发展,新的科学技术产生,国际局势的变幻等等一系列因素,使人类平安地渡过了那次危机。其中Norman Borlaug所引领的这场“绿色革命”,就在这场宏大的历史剧中扮演了极其重要的一折。可以想象,一下子使全世界的粮食产量几乎翻番,一下子拿掉了头上这把宝剑,有什么比这个更能安慰人心?设身那样的环境,想象那时人类焦虑躁动的心,人性之恶可能犹如即将决堤的洪水,一发不收,你就知道这场革命是多么重要、深远地影响了人类进程了。由于这场革命本身并不太多涉及科学进步,而更多是技术的进步,所以诺曼.布劳格并没有获得诺贝尔科学奖项,倒是获得了诺贝尔和平奖。我这一通废话,也算是为这个奖项做下一个小注脚。诺曼.布劳格也没闲着,后来自己创办了一个奖项:[世界粮食奖](http://en.wikipedia.org/wiki/World_Food_Prize),堪称粮食领域的诺贝尔奖。中国的袁隆平拿过一次这个奖,也被视为中国人获得的最高学术荣誉之一。这个奖很有意思,捋一捋这个奖项,你几乎就知道近现代作物育种研究的历史了,以后得空,可以好好聊聊。

扯远了扯远了,小麦,我们聊回小麦。说到小麦,我的思绪又被引到“禾本科”那儿去了。那先说说[禾本科](http://en.wikipedia.org/wiki/Grass_family)吧:首先说说科,它是一个物种分类的单位,物种分类层次有:界-门-纲-目-科-属-种,如果以我国区域划分做比较的话:国家-省-市-县-镇-村-庄。但是与镇不同,科其实是个很大的概念。这里的禾本科说的太高大上,通俗理解就是草,所有的草都是禾本科。这个科里面有10000+个物种!更牛B的是,它们都只产生与5500万年前左右,虽然具体时间有争议,但是无论如何,这都是很短的时间!这么短的时间,爆发式进化出这么多物种。并且我们知道草的生命力是很顽强的,现在的地球上20%植被由草组成,他们几乎能适应各种复杂环境。草对人类和地球太重要了,没有草,就没有草坪,没有草原,没有马牛羊,没有诗歌“风吹草低见牛羊”...请自动脑补十万个"没有草就没有..."。实际上如果没有草,我们根本不会在这里,哈哈,因为几乎所有的重要粮食都是草,玉米、小麦、水稻、高粱!草在人类早期文明中又扮演了重要角色,使人类由打猎采集文明进入农业文明。想想吧,都是很短的时间产生的哟!唉,又扯远了,闲着再聊这个有意思的部分。

好,这回真的要说小麦了。刚说到禾本科,禾本科的物种爆发与成功,其实有很大一个原因是归功于其“相当没节操”:各种杂交。说说小麦的历史,你就会对草这一类物种的这种大尺度的无节操行为略窥一二了(突然自动脑补,原来大家经常说‘草’是有理论依据的!)。直接上图吧,一图胜千言 (图2)。 

这张图已经说得很露骨了。故事是这个样子,远早于650万年前,有一株神奇的植物诞生,是为小麦始祖;到650万年前,这个小麦始祖中有两支分化了,就像兄弟分家,自立门户。经过一百万年,这俩兄弟已经很不像了,分别成了两个不同物种,基因组差异也较大,基因组型号被称为AA型和BB型。在550万年前,这俩兄弟物种(专业叫法其实是“姐妹物种”)发生了杂交,产生了后代!一般认为不同物种是有生殖隔离的,杂交很难发生,特别是动物,但植物的节操低,我们就先忍了吧。杂交的后代基因组变成了AB,但是这个AB活得很健康,不断自交与演变,基因组变得均一化了,并且与AA、BB略有不同,我们叫他DD。这个事件,我们称为“一杂”吧。到了差不多80万年前,这两兄弟后代又杂交了,这回杂交不同上一次,直接把兄弟俩基因组合到一起了,变成AABB。这个事件,称为“二杂”。差不多到了40万年前,又发生了一次杂交。这是“一杂”和“二杂”的后代的一次杂交,并且也是直接把染色体合到一起了,变成了AABBDD,六倍体。这个事件,称为“三杂”。三次杂交,于是小麦横空出世!贵圈真的好乱啊,原来我们吃着面条饺子面包,都是基于史上这些个这么乱的事件那!节操又飞鸟......

科普讲完鸟,说点科研综述吧。话说小麦六倍体,基因组测序难度很大,主要是同源序列不知道往哪个基因组上装,测出一堆碎的基因组也没什么意思。但是小麦又是如此重要,不测出来,一批科学家晚上又睡不着觉。于是,给测序技术本身也提出了挑战。也有很多科学家愿意攀登这个科学难题。根据目前的研究结果,可以看到思路基本是这样:a. 六倍体搞不定,我去弄弄二倍体总行了吧,于是去把小麦祖先测了。一年前,Nature杂志上也出一期小麦基因组的专题,三篇文章。其中有两篇是中国的团队做的,分别测了小麦祖先AA和DD的基因组。但是这个结果还是不能令人满意,因为毕竟没测小麦本身,小麦本身的A和这里的A应该还是不是特别像的,因为各自进化了那么些年。所以国际小麦基因组的人采取了另外一个策略:b. 把小麦六倍体染色体分开,一个个测。这个很牛,要完成新技术的开发。这次Science的文章是基于这个。发表文章的四篇文章,第一篇介绍了如何采用牛B技术测序,构建全基因组草图;第二篇借助于我国科学家上次公布的数据,以及这次产生的数据,从基因组层面更加细致刻画了小麦的进化史;第三篇关注的问题是:既然小麦有三套同源的染色体,那岂不是有很多基因冗余,哪些基因表达,哪些不表达,又是如何互作的;第四篇文章,把目光放到小麦的第三号染色体,来自于B基因组的那个,用BAC-by-BAC的办法,给它绘制了一张精细图。这个工作还是很细致的,出来的结果,也为后续研究奠定了坚实的基础,可以看做小麦研究的里程碑式工作。即使是这样,仍然还只是草图,只有3B染色体是精细图,期待全基因组精细图早日绘成!

作者: 2014-9-18
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