小麦基因组研究现状与展望

表型分析平台建设和技术创新

我国现有小麦种质资源丰富，构建的遗传群体数目庞大，用于表型鉴定花费的人力物力不计其数。如何快速准确地获得小麦单株或品系的表型数据，一直是育种家和研究者面临的困境。表型分析平台就是新兴的、可以进行种质资源表型研究和精准鉴定的大型科学装置或设施。遗传发育所的攻关团队针对作物株型和穗型等三维构象，利用高分辨激光/软射线成像系统、高精度图像解析与重建等方法和技术，搭建了水稻、小麦等品系株型和穗型的表型分析平台。此外，无人机搭载高清摄像机或红外仪等，通过遥感技术实现对大范围田间作物的表型采集工作，已在陆续开展。这些新技术、新方法的推广应用将进一步推动种质资源的利用和品种的选育过程。

小麦功能基因组研究

当前，功能基因组学已成为目前生命科学的竞争热点与重点发展方向。随着人类基因组、模式动植物基因组等测序工作的相继完成，生命科学已从整体上进入以功能基因组学研究为核心的后测序时代，世界各国对各种后测序基因组计划高度重视。例如，欧美等发达国家和地区先后启动了多个物种的 ENCODE 计划和四维细胞核组学项目。但是，我国在复杂多倍体基因组及其功能基因组学领域还处于跟踪与追赶阶段。多倍体小麦参考基因组的问世，为我们提供了很好的契机。如何借鉴模式植物拟南芥和水稻功能基因组研究的成功经验，结合小麦基因组的自身特点，开发一套适合小麦突变体的快速图位克隆技术，应该是小麦研究人员共同面临的一个课题。

Mut-Map 是利用野生型和突变体构建的分离群体进行测序并快速定位功能基因的成熟技术。鉴于小麦巨大基因组和昂贵的测序成本，科研人员可以同时借助转录组测序、捕获测序、RNA-Seq 和重测序等多重手段帮助实现小麦功能基因的快速定位。BSR-Seq 技术就是融合集群分离分析（bulked segregant analysis，BSA）和 RNA-seq 分析，可以实现小麦基因快速定位的一种方法。

基因编辑技术

基因编辑技术是利用人工核酸酶对基因组进行靶向修饰的遗传工程技术，是当今生命科学领域的研究热点。遗传发育所高彩霞团队一直致力于作物基因组编辑方法的研究和应用。2014 年，该团队首先利用 TALEN 技术敲除小麦 MLO 基因实现对白粉病的广谱抗性。CRISPR/Cas9 基因编辑系统由于设计简便及高效的特点，已经成为目前应用最为广泛的基因编辑技术。之后，该团队又率先在小麦、水稻和玉米三大重要农作物成功实现了单碱基编辑技术并运用到性状改良上。此外，通过将 CRISPR/Cas9 蛋白和 gRNA 在体外组装成核糖核蛋白复合体（RNP），再利用基因枪法进行转化和定点编辑，该团队已在小麦中成功建立了全程无外源 DNA 的基因组编辑体系。这种 DNA-free 的基因编辑技术具有精准、特异、简单易行、成本低廉的优势，并且有助于最大程度的减少监管，建立起精准、生物安全的新一代育种技术体系，加快作物基因组编辑育种产业化进程。

芯片开发及辅助育种

长期以来，局限于小麦功能基因的数量和注释信息太少，分子辅助育种技术一直无法推广；伴随基因组测序和基因克隆技术的发展，相信会有越来越多的小麦功能基因被克隆和应用到分子育种实践中。近年来，小麦 SNP 芯片的开发和应用更为普及，多个国内单位和公司合作开发的新芯片相继推出。这些 SNP 检测技术将为小麦全基因组关联分析、重要基因 /QTL 连锁定位以及育种亲本及后代材料的分子检测提供重要的技术支撑。已有文章报道，利用 Illumina Infinium iSelect 90K SNP 芯片技术结合 BSA 集群分离分析法可以实现对大规模的小麦新品系或品种中抗白粉病基因的定位。

此外，育种芯片的开发和应用极大提高了高通量筛选鉴定后代群体的效率。小麦传统常规育种一般依靠品种间杂交，因此导致遗传多样性的丧失。植物细胞与染色体工程国家重点实验室在李振声院士的带领下，长期致力于小麦远缘杂交和染色体工程育种研究，成功将偃麦草的染色体组、染色体、染色体片段导入小麦，育成小偃麦八倍体、异附加系、异代换系和易位系等杂种新类型，以及“小偃 6 号”等高产、优质、广谱抗病小麦品种。但是，小麦远缘杂交育种研究一直以来还局限于在细胞遗传学水平上。借助于基因组测序技术和育种芯片的开发，相信会更快地推动小麦远缘杂交品种的选育进程。（作者：傅向东 刘倩 李振声 张爱民 凌宏清 童依平 刘志勇 中国科学院遗传与发育生物学研究所北京《中国科学院院刊》供稿）