成熟的谷子。河南伊川呂店谷子品種展示基地供圖
1萬多年前北京門頭溝的先民們吃的主食是什么？4000多年前的青海人用什么做面條？6000年前中原人口第一次大幅增長是因為什么作物？
考古證明，答案都是谷子，也就是人們俗稱的小米。
近日，《自然-遺傳學》在線發表了中國農科院作物科學研究所研究員刁現民團隊在全球首次完成的谷子高質量圖泛基因組圖譜。該研究不僅從基因組水平證明了中國是谷子唯一起源地，而且創制了谷子圖基因組精準高效育種方法，為培育突破性品種打下了理論基礎、提供了技術路徑。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員、中國科學院院士李家洋指出，這是雜糧領域第一個高質量圖泛基因組，對未來育種應用有特殊的重要性。這一成果不僅是谷子研究的又一個里程碑，也是對“小作物，大作為”的最好詮釋，并將給其他作物研究帶來重要推動作用。
谷子的身份變化
谷子隸屬禾本科狗尾草屬，是世界上最古老的馴化作物，也是亞洲/中華農耕文明形成的主體作物。
考古發現最早的谷子出現在北京市門頭溝區的東胡林遺址，距今1.15萬年。而歐洲的谷子沒有早于3500年前的。
論文通訊作者刁現民告訴《中國科學報》，在高投入（水利、化肥、農藥）農業生產系統到來之前，谷子在農耕文化中長期占據主糧地位。
夏商到魏晉南北朝，谷子在糧食中一直占據首要地位。特別是魏晉南北朝時期，南方谷子得到空前發展，達到歷史繁盛頂點。隋唐時期，谷子進入第一次衰退期，稻麥地位上升，取代了谷子的傳統地位，形成南稻北麥的格局，但谷子仍是當時的核心農作物。
近代以來，隨著小麥、水稻等作物綠色革命的突破，谷子作為主糧的優勢被逐步削弱?！皩嶋H上谷子由一種大作物變成小作物僅僅是近40年的事。”刁現民說，黑龍江在新中國成立初期是全國最大的谷子種植省。1978年，黑龍江省的谷子種植面積已達2000萬畝，而現在全國谷子種植面積總共才2000萬畝。
不過，谷子的籽粒——小米營養價值高，這使它成為深受人們喜愛的雜糧。
近年來，隨著氣候變化、農業可持續性及糧食安全問題的日益顯著，科學家對具有耐旱、耐瘠薄、環境適應性強、易轉化和易實驗室操作等特點的谷子，寄予了新的希望。
刁現民從1987年開始從事谷子研究，至今已收集了20多個種1500多份狗尾草屬材料?！拔覈墓茸愚r家品種和育成品種是世界上最豐富的。農家品種大概有2.7萬多份，育成種水平在國際上是最領先的。”
刁現民說，要想更好地利用這些材料，必須對谷子基因型和表型進行精準鑒定?！艾F在谷子和其他大作物相比，產量水平仍然很低。谷子在不澆水、不施肥的情況下一般畝產為250公斤~300公斤；典型的高產田塊有水、有肥的，最高產量達700公斤。這主要是因為我們對谷子的野生種、農家種、育成種的群體結構、演化關系以及歷史沒有清楚的認識?！?/p>
這些問題包括谷子基因組變異水平不是很清楚，特別是在結構變異上沒有什么信息；資源表型鑒定記錄信息不完整；在谷子的馴化和育種過程中，究竟哪些基因、哪些區段、哪些位點經過了選擇，也不清楚?！斑@都需要我們更深入地研究?！?/p>
繪制第一部雜糧“天書”
“現在發表的這項研究其實是上述大工程的一部分，是副產品，并不是短時間內決定去做的，而是隨著研究的深入、技術的進步，與育種和生產需要整合起來、長期積累得到的研究成果。”作為國家谷子高粱產業技術體系首席科學家，刁現民希望徹頭徹尾地搞清楚谷子這種作物，并在此基礎上培育出更好的品種，讓谷子在糧食系統中發揮應有的作用。
正因如此，谷子成為了雜糧里第一個擁有圖泛基因組的作物。
所謂泛基因組是指一個物種全部的基因信息，而圖基因組則包含了一個物種基因組中所有的結構變異。也就是說，圖泛基因組是利用目前科學技術所能繪制的一個物種最清晰、最詳細、最全面的基因組信息，相當于物種基因組的“天書”。
刁現民團隊對谷子野生種、農家品種和現代育成品種等1844份核心種質資源群體進行解析，從頭組裝了110個谷子和狗尾草高質量基因組，繪制了首個狗尾草屬基因組變異圖譜，認識了谷子資源變異的基本情況，系統解析了谷子馴化和改良過程中的基因組變異。
論文共同第一作者、中國農科院作物科學研究所博士后賀強介紹，利用核心種質——1844份谷子、狗尾草的高倍重測序，可將狗尾草屬的物種清晰地聚類。其中，狗尾草分為4個亞群。而狗尾草馴化成谷子，形成春、夏谷子亞群之前，還有一個更為古老的亞群C3，該亞群地理分布更廣、環境適宜性更強，對未來谷子環境適宜性改良具有重要意義。
中國農科院作物科學研究所研究員、中國工程院院士劉旭說，這從遺傳學上肯定了谷子單起源中心，即中國起源中心的理論，是利用新技術進行資源研究的典型代表。
不僅如此，他們還研究了谷子是如何馴化改良的。賀強介紹，他們總共鑒定出4582個和谷子馴化有關的結構變異、152個和谷子育種改良相關的結構變異，并鑒定出680個在馴化改良中持續被選擇的結構變異相關基因，其主要富集在生殖、光周期、色素及氮利用等代謝途徑上。
2023年是國際小米年。聯合國糧食及農業組織認為小米理應獲得重視，并在人們的膳食結構中擁有一席之地，因為小米能為其他作物所不能為，可以在惡劣的氣候條件下生長，促進解決糧食短缺問題；有助于健康膳食；具有氣候韌性；在增進小農生計上大有可為；小米貿易可以增進全球糧食體系的多樣性；在治療和制藥等領域的創新用途眾多。
刁現民認為，發表谷子的圖泛基因組圖譜，是中國科學家對國際小米年最好的支持。
建立育種大數據庫
僅繪制圖泛基因組，就已經是一項龐大的工作。然而，刁現民團隊并沒有止步于此。
“與別的工作做得不一樣的地方是，我們進行了大量的表型鑒定?！钡蟋F民說，他們依靠17家單位在全國13個地方進行了680個材料10年22個環境的基本農藝性狀的調查，是真正的多年、多點實驗數據。
“我們不僅調查了株高、穗長、分蘗數、穗粒重這些常見的性狀，還研究了萌芽期、苗期、全生命周期的抗旱性，落粒性、米色、籽粒的品質性狀等，形成了68個性狀、226組表型數據，實際上就是個表型組?！钡蟋F民說，他們重點做了與育種有關的、更實用的性狀鑒定。例如，他們在新疆做了3年全生育周期的抗旱性調查，在山西做了3年萌芽期的抗旱性調查，在河北衡水做了苗期的抗旱性調查。
更重要的是，他們還把圖泛基因組和表型組這兩個大數據進行了對接，一共發掘了1084個表型相關的位點，其中結構變異占到了5.8%。
論文共同第一作者、中國農科院作物科學研究所副研究員湯沙告訴記者，在沒有圖基因組之前，是看不到基因組里的結構變異的。然而，谷子的一些重要農藝性狀，如淀粉、開花期和穗重等，卻是結構變異基因決定的。
“有了這些基因及其信息，我們就可以建立一個分子育種模塊。這些信息給基因型、表型相互估算以及靠基因型估算表型提供了一個方法，這就是全基因組選擇育種。”刁現民說，這是一個數據庫，可以從中知道某一個性狀的最優基因是什么。有了這個家底，以后在育種中就可以把好的基因聚攏在一起，為未來的育種提供分子和表型基礎。
“這讓我們更清晰地看到了基因組結構變異對發掘基因功能的重要性。”中國農業科學院作物科學研究所研究員、中國科學院院士錢前說。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心主任、中國科學院院士韓斌說：“該研究中全基因組選擇的表型預測準確度超過90%，使我們看到了全基因組選擇在谷子育種中的應用潛力。我認為該研究不僅是谷子也是作物領域中‘泛基因組-數量遺傳-育種’的經典之作，對未來作物遺傳改良具有重要指導意義?！?/p>
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-023-01423-w
