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10000多年前北京門頭溝的先民吃的是什么主食？4000多年前的青海人用什么做面條？是什么作物讓6000年前的中原人口第一次大幅度增加？

考古證明，答案都是谷子，也就是人們俗稱的小米。

(資料圖片)

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谷子穗。中國農科院作科所梁紅凱攝

6月8日，《自然—遺傳》在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院作物科學研究所研究員刁現(xiàn)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上證明了中國是谷子唯一起源地，而且創(chuàng)制了谷子圖基因組精準高效育種方法，為培育突破性品種提供了理論基礎和技術路徑。

中國科學院遺傳與發(fā)育研究所研究員、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又一次“里程碑”式工作，也是對“小作物—大作為”的最好詮釋，并將對其他作物研究具有重要推動作用。

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(fā)現(xiàn)最早的谷子出現(xiàn)在北京市門頭溝區(qū)的東胡林遺址，距今11500年。而歐洲的谷子沒有早于3500年的。

論文通訊作者刁現(xiàn)民告訴《中國科學報》，在高投入（水利、化肥、農藥）農業(yè)生產系統(tǒng)到來之前，谷子在農耕文化中長期占據(jù)主糧地位。

夏商以來谷子在糧食中占有首要地位。魏晉南北朝時期，南方谷子得到空前發(fā)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，取代谷子的傳統(tǒng)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，隨著小麥水稻等作物綠色革命的突破，谷子作為主糧的優(yōu)勢被逐步削弱。“實際上谷子由一個大作物變成小作物僅僅是近40年的事。”刁現(xiàn)民說，黑龍江在建國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達2000萬畝；而現(xiàn)在全國谷子種植面積才2000萬畝。

不過，谷子的籽粒小米營養(yǎng)價值高，這使它成為了深受人們喜愛的雜糧。

近年來，隨著氣候變化、農業(yè)可持續(xù)性及糧食安全的挑戰(zhàn)日趨顯著，科學家對耐旱、耐瘠薄、擁有碳四高效光合作用、環(huán)境適應性強和養(yǎng)分利用效率高，具有較小的二倍體基因組、短生育周期、易轉化和易實驗室操作的谷子，給予了新的關注和希望。

刁現(xiàn)民從1987年開始從事谷子研究，至今已收集了20多個種1500多份各類各樣的狗尾草屬材料。“我國的谷子農家品種和育成品種是世界最豐富的。農家品種大概有27000多份；育成種水平在國際上是最領先的。”

刁現(xiàn)民說，要想更好的利用這些材料，必須對谷子的基因型和表型有精準的鑒定。“現(xiàn)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250~300公斤；典型的高產田塊有水有肥的，最高產量可達700公斤。主要原因是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。”

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成熟的谷子。河南伊川呂店供圖

這些問題包括，谷子基因組變異水平仍然不是很清楚，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(qū)段、哪些位點經過了選擇，也不清楚。“這都需要我們做更深入的工作。”

繪制第一部雜糧“天書”

“今天發(fā)表的這項工作，其實是上述大工程的一部分，是這個大工程的副產品，并不是短時間之內決定去做的一篇論文，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(yè)技術體系的首席科學家，刁現(xiàn)民希望徹頭徹尾地搞清楚谷子這個作物，并在此基礎上培育出更好的品種，讓谷子在糧食系統(tǒng)中發(fā)揮應有的作用。

正是為了徹頭徹尾地搞清楚，使得谷子成為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，圖泛基因組是目前的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(xiàn)民團隊對谷子野生種、農家品種和現(xiàn)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(tǒng)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、作科所博士后賀強介紹，利用核心種質——1844份谷子、狗尾草的高倍重測序，將狗尾草屬的物種清晰的聚類。其中，狗尾草分為四個亞群。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，該亞群具有更廣的地理分布、更強的環(huán)境適宜性，對未來谷子環(huán)境適宜性改良具有重要意義。

中國農業(yè)科學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(xù)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。

2023年是國際小米年，聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織認為小米理應獲得重視，并在我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；對增進小農生計大有可為；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(chuàng)新用途眾多。

發(fā)表谷子的圖泛基因組圖譜，刁現(xiàn)民認為，這是中國科學家對國際小米年最好的支持。

建立未來育種的大數(shù)據(jù)庫

僅僅是繪制圖泛基因組，已經是一項龐大的工作。然而，刁現(xiàn)民團隊并沒有止步于此。

“我們和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。”刁現(xiàn)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(huán)境的基本農藝性狀的調查，是真正的多年多點實驗數(shù)據(jù)。

“我們不僅調查了株高、穗長、分蘗數(shù)、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(shù)據(jù)，實際上就是個表型組。”刁現(xiàn)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(shù)據(jù)進行了對接，一共發(fā)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、作科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，谷子一些重要的農藝性狀，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，我們就可以建立起來一個分子育種模塊。這些信息也給基因型、表型相互估算，靠基因型來估算表型提供了一個方法，這就是全基因組選擇育種。”刁現(xiàn)民說，這是一個數(shù)據(jù)庫，可以從中知道某一個性狀的最優(yōu)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。

“這讓我們更清晰的看到了基因組結構變異對發(fā)掘基因功能的重要性。”中國農業(yè)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(chuàng)新中心主任、中國科學院院士韓斌說：“該工作中全基因組選擇的表型預測準確度超過90%，使我們也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(shù)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。”

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