1. 破譯小麥基因組
2002年，科學家破譯了大米的基因組。2008年，他們完成了大豆基因組的工作。2009年，他們繪製了玉米的基因組圖譜。而直到現在，期待已久的小麥基因組才完成了測序。這種延遲當然不是因為小麥不重要，小麥無疑是世界上最重要的農作物之一，它的種植面積比任何其他農作物都大。然而，小麥也有著科學所知的最複雜的基因組之一。
首先，小麥的基因組異常龐大。第一種完成測序的植物——擬南芥（Arabidopsis）的基因組包含1.35億個核苷酸，人類基因組包含30億個，小麥則有160億個！僅小麥的一個3B染色體，就比整個大豆基因組更大。
○ 染色體（左）和基因序列（右）示意圖。| 圖片來源：Wikipedia
更糟糕的是，小麥基因組實際上是三個基因組合而為一。大約50萬年前，那時候人類還沒有出現，兩種野草雜交形成了我們今天所知的二粒小麥（emmer wheat），人工種植的二粒小麥也就是現在用來做意大利麵的硬粒小麥（durum wheat）。在人類開始在田裡種植二粒小麥以後，第三種雜草又偶然加入了這個混合體，產生了今天從製作麵包到啤酒都要使用的普通小麥（common wheat）。這一段錯綜複雜的歷史，使普通小麥具有了三組相似的染色體——分別來源於三種祖先雜草，每組都有7對。用技術術語來說，這是一個六倍體基因組。對於普通小麥的基因組測序來說，這則是一個巨大的煩惱，就像是穿行在密不透風的茂密叢林裡，卻沒有一張地圖。
○ 普通小麥的基因組包含來自於三種祖先野草的各一組基因，因而一共有三組染色體。| 圖片來源：Wikipedia
通常來說，遺傳學家進行基因組測序時，會先將DNA切割為小的片段，對每個片段分別進行讀取，然後將它們重新組合。然而，如果每個染色體出現六次，我們如何得知該將任意給定的片段放回到哪裡呢？
而且，小麥85%的DNA由重複序列組成，結果就是，即使知道一個片段對的正確對應的染色體，但要確定它在這條染色體上的確切位置仍然是一項繁重的工作。這就像是在玩一個巨大的拼圖遊戲，其中的圖片將同一片藍天重複描繪了三次。
在本週發表於《科學》雜誌上的一篇論文中，由來自20個國家的科研工作者組成的團體——國際小麥基因組測序聯盟（IWGSC），發表了一個名為“中國春”（Chinese Spring）的小麥品種的近乎完整的基因組數據，他們繪製了普通小麥21個染色體上、超過10.7萬個基因的圖譜。他們從2005年開始破譯基因組，如今，已經過去了14年，花費研究經費約7500萬美元。
○ 小麥基因組測序的研究成果發表在本週的《科學》雜誌上。| 圖片來源：Science
團隊的領導者Kellye Eversole說：“在過程當中，沒有人知道事情的走向，我們最終完成了這項工作，這真是個奇蹟。” 最近，加州大學戴維斯分校發現了調控小麥高度的基因的Jorge Dubcovsky說：“過去需要花費數年時間的事情，如今只需要一天就可以完成。這就像是拿著Google地圖行走。”
出乎意料的是，由約翰·霍普金斯大學的Steven Salzberg帶領的一個六人小組通過使用新的技術來讀取長DNA序列，在去年發佈了一版近乎完整的小麥基因組。然而，他們並沒有描述基因，也沒有確定基因在染色體上的位置。雖然Eversol對這個小組的成就表示讚賞，卻發現這一版本“缺乏IWGSC的結果所蘊含的細節，而對育種者來說，這些細節正是關鍵之所在。”
2. 為增加小麥產量帶來希望
經過上世紀六十年代的“綠色革命”，作物種植者極大地提高了小麥的產量。然而從那之後，由於小麥基因組的高度複雜性，導致想要通過傳統育種和基因技術來提高產量的努力一直步履艱難。
Eversole指出：“玉米基因組測序對創造更好的玉米品種有很大的影響。”相反，小麥產量已經落後，而這種農作物的收益最近也下降了，這會帶來嚴重的問題，因為據研究人員估計，到2050年，世界需要增加60%的小麥以養活激增的人口。
英國國家農業植物學研究所的Alison Bentley說：“無論你對以小麥為主的飲食有什麼看法，都不能迴避它在全球糧食安全中的重要性。”她認為，儘管過去人們在小麥育種方面取得了巨大進步，但如果有了小麥基因組研究的幫助，將會讓一切都加速發展。
傳統說來，創造新的小麥品種（比如能抵禦嚴寒、抗真菌病害等）已經經歷了很多次嘗試與失敗。在美國俄克拉何馬州一個農場家庭長大的Eversole說：“我們通過小麥雜交把各種遺傳物質結合起來，經過一整年漫長的育種過程，希望新的品種能具有正確的基因組合——這需要花好幾年的時間。”然而，現在知道了完整的基因組，育種者就可以識別出隱藏在特定性狀背後的基因，並確保這些基因存在於他們的作物中。她補充說：“這樣做的目標是為育種者建造一個更好的工具箱，進而增加種植者的收益。”
○ 普通小麥。| 圖片來源：Wikipedia
這其實已經成為了現實。該團隊利用已經完成的基因組，識別出了長久以來令人難以捉摸的會影響小麥莖稈內部結構的基因（這個基因的名字是TraesCS3B01G608800）。如果植物有更多這個基因的拷貝，它們的莖稈就會是實心的而非中空的，這使得它們能對乾旱和蟲害更有抵抗力。通過使用基因診斷測試來清點基因，育種者如今可以高效地選擇實心莖杆所需的基因了。
另外，五月的時候，英國John Innes中心（JIC）的植物遺傳學家報告說，他們識別出了最初發現於大米中的、與穀粒尺寸相關的基因的多個拷貝，然後使用CRISPR基因編輯技術使小麥基因突變，從而讓小麥的穀粒尺寸增加了20%。CRISPR是細菌中的一種DNA序列，含有曾經攻擊過該細菌的病毒的基因片段，細菌利用這些基因片段來偵測、抵抗相同病毒的攻擊，並摧毀其DNA。人類可以利用這些基因片段來準確高效地編輯生命體內的部分基因。
JIC的研究人員現在正參與創建IWGSC的數據，以記錄植物生命週期中不同時間節點、不同組織中的基因活動。他們拍攝了850張記錄
信使RNA水平的快照，來衡量哪些基因在乾旱、害蟲攻擊等情況下是活躍的，目標是追蹤決定作物產量與其它性狀的基因網絡。來自位於墨西哥的國際玉米和小麥改良中心的Ravi Singh說：“育種者想要從基因組研究中獲還將益需要一些時間。然而，在我們自己的項目中，我們已經在利用這個資源來識別隱藏在作物產量、抗病、耐熱與乾旱、以及營養水平等性狀背後的重要基因序列。”
3. 改變小麥的生命週期
IWGSC也開始研究，隨著小麥的發芽與生長而逐漸啟動的不同基因，以及這些活動模式在小麥基因組的三組染色體中如何變化。對於普遍種植的小麥品種，它們的種子必須在地下度過嚴寒的冬天才會在來年春天發芽。去年，植物遺傳學家Antje Rohde報告說，她的團隊已經找到與小麥發芽延遲有關的關鍵基因，他們希望通過CRISPR技術破壞這個基因，進而能縮短小麥的育種週期。
如果科學家能夠知道如何在植物生命循環中的特定時間節點上開啟特定基因，人們就有可能根據四季與環境的變化，實時地培育小麥。Bentley說：“這將是非常酷的事情。”
她唯一的告誡是，新的基因組來自一個不同尋常的小麥品種——“中國春”，沒有多少種植者會認視它們為小麥。然而，作為許多早期小麥研究的基礎，“中國春”在歷史上扮演非常重要的角色。如今這個品種的基因組出來了，科學家要對更多作物品種進行測序，以及理解不同性狀的遺傳基礎，將會變得容易很多。
4. 小麥蛋白過敏者的福音
研究人員或許還能夠更容易地調和小麥的“陰暗面”。許多人對谷蛋白和其他小麥蛋白過敏，導致例如腹腔疾病、麵包師哮喘、非腹腔小麥敏感等免疫系統紊亂。科學家已經設法識別了許多與之相關的特定蛋白質，“而在此之前（擁有基因組信息前），科學家都無法進一步確定編碼這些蛋白質的基因。”挪威生命科學大學的Odd-Arne Olsen說道。如今，他的團隊已經識別出了365個這樣的基因，其中127個是科學上的新發現，另有222個雖然已知，但過去對它們的測序卻是錯誤的。
這個團隊還發現，在高溫條件下生長的小麥會產生除了導致腹腔疾病之外的更多的過敏原 ，這意味著隨著全球氣候變暖，烘培食品可能變得更容易使人過敏。但也許通過理解過敏原背後的基因，育種者將能夠遏制這種趨勢，並創造出過敏原含量更少的小麥品種。
當然，事情不會如此簡單。Olsen指出，導致小麥過敏的相同蛋白質也決定著麵粉的烘焙品質。同樣，Eversole也指出，包含更多蛋白質的小麥品種也傾向於產量更低。事情總是不能盡如人意，利弊需有所取捨，但團隊希望完整的基因組將能更容易地指引他們去探索未知。
利用基因組的信息，育種者也可以用像CRISPR這樣的基因編輯技術來迅速改變作物的性狀。IWGSC通過識別影響花期的小麥基因，然後用CRISPR來改變基因，創造出比通常花期提前幾天開花的小麥變種，證明了這種改變可以是多麼容易。這些技術也能夠被用來將優良性狀從野生小麥品種轉移到人工種植的品種。
進行這些改變的主要障礙是公眾審批和監管制約。上個月，歐盟最高法院裁定，CRISPR編輯的作物被認為是轉基因生物，儘管CRISPR過程中並不涉及從其他生命體引入基因 。這種作物如今將面臨漫長而昂貴的審批過程。Olsen說：“雖然有了知識，也有了工具，要實現仍然不容易。”
但毋庸置疑的是，科學家的努力，將使培育這種世界上最重要農作物的新品種變得更加容易。
編譯：鱷魚
[1] https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/08/wheat-genome-is-best-thing-since-sliced-bread/567673/
[2] http://science.sciencemag.org/content/361/6403/635.full
閱讀更多 原理 的文章
