Trends in Genetics | 综述：近5年小麦基因组学研究进展及未来展望

小麦是全球最重要的粮食作物之一，养育着世界众多人口。随着人口增长和气候变化，培育高产、稳产、抗逆的小麦品种对于保障粮食安全至关重要。近年来，小麦基因组学研究取得了突破性进展，为小麦遗传改良和育种创新提供了前所未有的机遇。

马里兰大学的Vijay K. Tiwari（通讯作者）团队在 Trends in Genetics 杂志发表题为“Wheat genomics: genomes, pangenomes, and beyond”的综述论文，系统总结了过去五年小麦基因组学研究的最新进展，重点介绍了小麦基因组、泛基因组、转录组以及相关技术在小麦性状解析和遗传改良中的应用，并对未来的发展方向进行了展望。

基因组测序：攻克复杂难题

普通小麦（Triticum aestivum）拥有庞大而复杂的基因组（16Gb），由三个亚基因组（AABBDD）组成，且含有大量的重复序列。这些特点使得小麦基因组测序成为一项极具挑战性的任务。2003年，国际小麦基因组测序联盟（IWGSC）成立，旨在联合全球科研力量攻克这一难题。

由于小麦基因组的复杂性，早期研究主要采用“分而治之”的策略，将小麦基因组分成不同的染色体或染色体臂进行分别测序（图1）。2014年，IWGSC发布了首个小麦基因组草图。2018年，基于DeNovoMAGIC2等组装软件和多种辅助技术（如物理图谱、基因分型测序数据、辐射杂交图谱和Hi-C数据等），IWGSC发布了更为完整和连续的中国春（Chinese Spring）小麦参考基因组序列（IWGSC RefSeq v1.0），覆盖了14.50 Gb的基因组序列，并定位到21条假染色体上（图1）。

随后，科研人员利用PacBio CCS和Omni-C等技术，获得了更高质量的小麦基因组组装结果。例如，2021年，Sato等人组装了组织培养和转化效率较高的小麦品种'Fielder'的基因组。2022年，Kale等人报道了欧洲精英小麦品种Attraktion的参考基因组水平的组装结果。同年，Athiyannan等人利用PacBio CCS高保真读取、光学图谱和染色体构象捕获技术，组装了南非面包小麦品种'Kariega'的参考基因组，其连续性和完整性均优于以往的基因组组装结果。2022年，Aury等人首次利用Oxford Nanopore Technology（ONT）长读长测序技术完成了法国小麦品种'Renan'的基因组组装。

图1

除了六倍体普通小麦，研究人员还对小麦的二倍体和四倍体祖先种（如乌拉尔图小麦、斯卑尔脱小麦、粗山羊草、二粒小麦等），以及其他近缘物种（如黑麦、伞形山羊草、提莫非维小麦、中间偃麦草等）的基因组进行了测序（表1）。这些基因组资源为小麦的起源、进化和驯化研究提供了重要信息，也为小麦的遗传改良提供了丰富的基因资源。

表1

泛基因组：揭示多样性宝库

单一参考基因组无法代表小麦物种的全部遗传多样性。为了更全面地了解小麦的基因组变异，研究人员开始构建小麦泛基因组。2017年，Montenegro等人首次探索了小麦泛基因组的概念，通过对18个小麦品种的基因多样性分析，预测了小麦泛基因组的大小。

2020年，“10+基因组”项目团队完成了首个高质量的小麦“泛基因组”，对来自全球小麦育种计划的15个不同小麦品种进行了测序，其中10个品种达到了参考基因组水平的组装质量。这些基因组与中国春参考基因组高度共线性，为了解全球小麦育种适应性相关的基因组多样性提供了有力支持（图1）。

近年来，随着长读长测序技术的发展，尤其是PacBio平台的CCS技术，使得构建高质量、高完整性和连续性的基因组成为可能。许多研究表明，CCS技术在组装复杂植物基因组方面具有显著优势。

基因组学助力性状解析

小麦基因组学的发展为小麦重要农艺性状的解析提供了有力工具。通过对大量小麦品种进行重测序、外显子组捕获、大规模RNA-seq研究以及构建多个高质量基因组和泛基因组，研究人员已经发现了200多个与重要农艺性状（如产量、抗病性、株高等）相关的基因位点。

通过比较小麦及其祖先种的基因组，研究人员可以定位保守区域，检测基因组渐渗，并解析重要性状的遗传基础。例如，研究人员在单粒小麦中发现了抗秆锈病基因_Sr35_，并将其成功应用于小麦品种改良。然而，比较基因组分析表明，_Sr35_基因在斯卑尔脱小麦、粗山羊草和中国春（面包小麦）的参考基因组中均不存在（图2），这提示我们需要更广泛地关注野生小麦物种，以发掘更多抗病基因资源。

图2

Walkowiak等人通过比较基因组分析，精确地描绘了野生小麦物种渐渗到现代小麦基因组中的区域。Bayer等人开发了一个泛基因组图谱，可以方便地比较不同小麦品种之间的存在/缺失变异（PAV），从而加速基因发掘。最近，研究人员利用粗山羊草泛基因组克隆了小麦秆锈病抗性基因_Sr66_，并通过单倍型分析从复杂的抗病基因座中识别出不同的等位基因。Brinton等人利用单倍型分析方法鉴定了与小麦产量相关的新等位基因。Liu等人使用全基因组单倍型分析，鉴定了控制植物结构性状的重要基因组位点。Athiyannan等人利用粗山羊草的基因组资源，鉴定了秆锈病抗性基因_Sr46_的三个不同的单倍型。

基因组学驱动遗传改良

基因组学的发展为小麦遗传改良开辟了新的途径。通过基因编辑技术，可以对小麦基因组进行精准修饰，从而改良小麦的农艺性状。然而，小麦的基因编辑效率受到基因型和低再生/转化效率的限制（图3）。

图3

为了提高小麦的转化效率，研究人员进行了多种尝试。2020年，Debernardi等人发现，表达融合蛋白GRF4及其辅因子GIF1可以提高单子叶植物（小麦、黑小麦和水稻）的转化效率/再生能力。2022年，Wang等人发现，过表达_TaWOX5_基因可以提高小麦的转化效率，且基因型依赖性较低。最近，有研究报道，过表达_TaLAX1_基因可以提高小麦品种'Fielder'的再生效率。

基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）在小麦中的应用日益广泛，已被成功用于提高小麦的产量潜力、改良抗病性、调控株型等。此外，CRISPR-Cas9技术还被用于创制低免疫原性小麦品种，为乳糜泻患者提供更安全的食物选择。

快速育种与展望

具有成本效益的测序技术、基因分型平台和SNP基因分型分析的可用性改变了小麦育种和遗传学研究。科学家们利用这些技术和平台，结合快速育种和双单倍体等技术（图3），缩短了育种周期，加速了高产、优质、抗逆小麦新品种的培育。

未来，迫切需要开发一个综合数据库，整合基因组数据和资源，以促进遗传多样性研究、标记-性状关联、开发具有成本效益的基因分型平台、系统基因组学分析、探索进化史以及基因组学育种。

总结

小麦基因组学研究的快速发展，为小麦遗传改良和育种创新提供了前所未有的机遇。通过整合基因组学、遗传学、种质资源以及基因编辑等新技术，可以加速小麦优良基因的发掘、利用和新品种的培育。未来，我们需要进一步完善小麦基因组数据库，开发更高效的基因编辑技术，并整合多组学数据，以更深入地了解小麦的功能基因组学，从而培育出更高产、更优质、更抗逆的小麦新品种，为保障全球粮食安全做出更大贡献。

来源：https://doi.org/10.1016/j.tig.2024.07.004