黑马|黑麦缘何成为小麦族的“黑马”
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▲在西藏海拔3900米重度退化草地种植的黑麦作物 。武俊喜摄
麦类作物里，大家熟知的有小麦、大麦，其实黑麦也非常重要，是欧洲一些国家的重要粮食和饲料作物 。欧洲的黑麦面包、俄罗斯著名特产大列巴面包和格瓦斯饮料，都是以黑麦为主要原料制作而成 。
黑麦对自然界不良条件有很强的适应能力，这令许多育种家着迷 。然而，由于黑麦属于异交作物，具有自交不亲和性，并且拥有极为复杂的基因组，导致其基因组精细物理图谱的组装十分困难，这对于全世界麦类基础和应用研究来说都是一个非常大的挑战 。
近日，河南农业大学农学院联合国内多所大学以及科研单位解决了这项难题，完成了黑麦基因组精细图谱的组装，揭示了黑麦基因组结构与演化的独特性及其淀粉合成、储存蛋白、抽穗期和驯化等相关基因的基因组特征，该成果对麦类作物遗传改良具有重要指导作用和实用价值，发表于《自然—遗传学》 。
构建高质量精细图谱
栽培黑麦属于禾本科小麦族黑麦属，与小麦和大麦是近亲，是小麦和小黑麦改良的重要遗传资源，也是高效开展小麦族植物比较基因组学研究不可或缺的重要材料 。
黑麦可谓是小麦族的一匹“黑马”，因为黑麦在极端的土壤和气候条件下依然能够生长 。
“比如高海拔、寒冷、贫瘠土壤等条件，黑麦都能茁壮成长，在这些地方，种植黑麦的效益远高于小麦 。”论文共同第一作者、河南农业大学农学院植物基因组学与分子育种中心研究员杨建平告诉《中国科学报》，如果能把这些优异的基因转移到小麦里，就可以帮助小麦“升级改造” 。
“利用黑麦为亲本培育出的小黑麦兼具黑麦的环境适应性和小麦的产量潜力，在我国每年种植面积约为450万亩，在欧洲种植面积很大，约有6000多万亩 。”论文共同通讯作者、河南农业大学农学院植物基因组学与分子育种中心研究员王道文在接受《中国科学报》采访时介绍 。
而且，作为介于小麦和大麦之间的物种，黑麦在进化地位上也至关重要 。目前小麦和大麦基因组精细图谱都已经有了，唯独没有黑麦的图谱，科学家意识到，只有把黑麦的基因组彻底解析，小麦族的比较基因组学研究才算完整 。
这谈何容易 。与小麦和大麦相比，黑麦有一个特性就是自交不亲和，需要异花授粉来传宗接代 。杨建平指出，这样带来的问题就是，黑麦基因组杂合度很高，相对于其他二倍体麦类基因组，黑麦的基因组更加复杂 。
“尽管黑麦基因组与其他二倍体麦类一样只有14条染色体，但大小却将近8 Gb，是水稻的25倍、玉米的4倍和大麦的1.5倍，是一个非常庞大的基因组，而且有非常多高度相似且串联的重复序列，所以整个基因组测序和组装都异常艰难 。”论文共同第一作者、四川农业大学副教授任天恒在接受《中国科学报》采访时说 。
“主角”选用的是四川农业大学提供的中国栽培品种“威宁黑麦” 。该校20多年前在贵州威宁地区收集到这份“威宁黑麦”品种，并在实验室完成多代自交后产生了“靠谱”的纯合自交系材料 。“要做异花授粉植物的基因组测序，没有一个高度纯合的材料做基础是不可能完成的 。”任天恒表示 。
正是利用“威宁黑麦”，河南农业大学以及四川农业大学、北京大学和百迈客生物科技公司等多家单位，克服重重困难，综合利用多项技术，首次成功构建“威宁黑麦”基因组的高质量精细物理图谱 。
“这是目前全世界组装完成的最复杂的二倍体禾本科物种基因组，填补了禾本科物种基因组信息的重要空缺，为作物基因组学研究和重要农艺性状功能解析提供了非常珍贵的遗传信息资源 。”王道文说 。
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