解析小麦基因组学资源　设计抗病分子育种研究

　　文／徐　佳

　　2022 年5 月，联合国世界粮食计划署发出警告，人类或将面临“二战后最大的粮食危机”，多达17 亿人正暴露在粮食、能源和金融系统的破坏之下，导致贫困和饥饿问题恶化。与之相对应的是，世界各国保护主义的声音日益高涨，目前全球约有20 个国家实施了粮食及食品的出口禁令，受出口限制的粮食约占全球总贸易量的17%。

　　据统计，全世界约35% 的人口以小麦为主粮。尤其是在我国，民以食为天，而食以小麦为主，“小麦安全”不容忽视。我国学界众多有识之士博采各学科众长，从各自科研角度切入，协力保障我国“小麦安全”。中国科学院遗传与发育生物学研究所课题组组长、研究员贺飞就是其中的佼佼者。

　　贺飞长期致力于应用高通量生物学数据解析生物学过程调控机制与规律，近年来聚焦小麦基因组的进化、结构与调控网络，以计算分析为主要手段在进化和调控基因组学研究领域取得多项重要进展。

　　系统解析小麦基因组遗传进化

　　通量测序技术和功能基因组学的飞速发展给生命科学的各个领域带来了革命性变化。例如，农艺性状的分子遗传机制得以在基因组层次上解析，推动农作物育种进入分子设计时代。基因组学大数据给农业生物学和育种科学研发带来了新契机，但如何更有效地分析处理大数据以解析相关机制也成为重要挑战。

　　贺飞针对当前国际学术界研究难点，利用外显子捕获技术建立了数据分析新策略，通过过滤、评估、演算和质量控制等计算生物学手段首次获得了覆盖度高达75%、精确度高达92% 的高密度基因型数据。

　　他首次实现在基因组层面阐明外源基因组序列在小麦群体中的分布频率与规律，说明野生群体中的等位基因在驯化瓶颈之后，仍然通过基因交流的方式显著地影响小麦基因组的遗传结构。他通过比较不同地区的小麦农家种中的外源片段含量，发现仅有少部分外源片段的分布频率与同域性野生种群具有明显关联。这说明种质资源在不同国家或文明之间经历了充分的交换与混杂。由此推测，来自野生亲缘物种的外源基因可能起到了重要作用，帮助小麦适应不同的气候环境，因此受到选择压力被保留在小麦基因组中。

　　贺飞发现基因交流在控制农艺性状的基因组位点区域提高了42% 的遗传多样性，同时有害突变的含量随基因交流频率的增加而减少。这说明野生亲缘物种有效群体数大、遗传变异丰富等特性通过基因交流的形式提高了小麦的适应性。通过解析遗传变异与农艺性状之间的数学关系，他发现受到基因交流影响的基因组区段可以解释高达35% 的表型变异。该发现首次实现了定量描述一个野生亲缘物种对小麦农艺性状的遗传贡献。在此基础上，贺飞成功捕获了已知的植物抗逆关键基因和调控通路，在基因组层面解释了什么样的外源基因会在小麦驯化和改良过程中得到广泛利用。

　　贺飞开发的高密度基因型数据集在2019 年Nature Genetics 杂志上发表后被学术界广泛使用，被多个重要的小麦公共数据库平台收录为参考数据集。作为美国农业部WheatCap 项目的一员，贺飞利用该资源帮助多个研究团队进行基因的精细定位，推进了功能基因的鉴定与克隆。此外，该数据资源还为农艺性状的遗传机制与功能解析提供了重要线索。比如，小麦重要功能基因WAPO113、GW714、Yr3415 的进化规律在该数据的帮助下得以阐释。同时，贺飞的研究数据和分析策略极大地引领和推动了小麦外源基因的系统层次研究，并奠定了小麦新品种分子设计的基因组学基础。

　　积极挖掘抗病基因对抗小麦病害

　　这些成就的取得离不开贺飞10 余年的上下求索。贺飞于2011 年在中国农业大学获得生物信息学博士学位。2011— 2021 年，他先后在美国的斯隆凯特琳癌症中心、布鲁克海文国家实验室、伊利诺伊大学香槟分校、堪萨斯州立大学从事访学和博士后阶段科研工作。2021 年，贺飞入选中国科学院 “百人计划”“国家海外优秀青年基金”，受聘为中国科学院- 英国约翰·英纳斯中心（JIC）植物和微生物科学联合研究中心（CEPAMS）课题组组长。

　　归国后，贺飞将研究重点放在了聚焦外源基因中的抗病基因，计划以远缘杂交材料为基础，利用组学与计算的手段在基因组层面上系统解析外源基因在小麦抗病育种中的作用，揭示远缘杂交对于小麦抗病等重要农艺性状的分子与遗传基础，并与育种家合作探索提高抗病育种效率。

　　小麦生产中使用的大部分抗病基因来自亲缘或者远缘物种。外源基因不仅帮助世界各地的小麦抵挡住了一次又一次的病害爆发，更是对我国小麦生产做出了卓越贡献。比如，中科院李振声先生通过远缘杂交培育出的小麦骨干品种“小偃6 号”，就曾以其持久的条锈病抗性推动了我国粮食产量的增长。

　　全面理解小麦病害遗传机制的首要前提是探明存在于小麦群体中的抗病基因。目前小麦抗病基因的群体遗传学研究几乎为空白，学术界不清楚一些基本的问题，比如：小麦群体中有多少抗病基因？不同的抗病基因在不同育种项目中是如何被利用的？针对亟待解决的问题，贺飞提出“存在- 缺失变异”对于理解小麦部分病害的遗传机制更为重要，因为大部分病害基因仅存在于少量的小麦品种中。在现有研究成果的基础上，贺飞带领团队利用连锁不平衡与eQTL 等手段确定外源基因在小麦标准参考基因组上的位置，然后把这批基因与参考基因进行整合，构建某种病害基因的泛基因组图谱。以这份图谱为新的基准，将重测序并与原始数据进行比对，就可以获得病害基因在小麦群体中的“存在- 缺失变异”的基因型数据，为进一步系统调查病害基因来源及其进化规律奠定基础。同时，贺飞考虑利用eQTL 图谱预测关联分析目标区间内的因果基因。他积极通过对病害基因的群体遗传学特征、锚定位点、基因表达进行整合，从而构建病害的遗传调控网络。

　　总而言之，贺飞将通过生物信息学手段，利用前期获得的基因型与表型数据，构建部分病害的上位性互作网络，有望揭示病害基因之间以及病害基因与其他基因之间的相互作用规律。他还将进一步系统阐明生产品种的背景基因组中含有的病害抑制位点，为杂交亲本的选择提供策略。

　　在21 世纪的今天，世界仍有炮火和饥饿的阴影笼罩，而我们则有幸生活在一个和平的国家。这个国家正在努力实现高质量发展，需要我们大家的团结努力。

　　贺飞怀着一颗赤子之心，带着自己的所学、所得、所思、所想投入到民族复兴大业中，为实现自己的梦想奋力前行。