黑马|黑麦缘何成为小麦族的“黑马”( 二 )
黑麦的起源和驯化
有了测序结果，就可以探究黑麦的整个演化历史 。
“黑麦最初是一种野草，在形态上与小麦和大麦类似，因此在田间避免了被当做杂草移除，后因其突出的抗旱、抗寒和抗病能力，在小麦和大麦传播过程中得到逐步驯化，从而形成这样一个特殊的麦类作物 。”论文共同第一作者、河南农业大学博士李广伟介绍，通过分析整个黑麦全基因组的驯化位点，他们发现一些基因能够解析栽培黑麦驯化的基因组特征，为黑麦的拟态演化假说提供了分子机制 。
黑麦的演化历史有几个重要的时间节点 。黑麦与小麦、大麦的共同祖先在大约960万年前~1500万年前发生分化 。
在杨建平看来，相较小麦和大麦而言，黑麦的驯化程度相对较低，算是“半驯化”，所以黑麦残留了很多原始基因 。自然界经过了一个很复杂的筛选过程，加上植物自身的斗争和抉择，“巧合”地造就了今天的黑麦物种 。
在这个复杂二倍体禾本科植物里，科研人员还鉴定到两万多个基因复制现象 。他们把黑麦的基因复制与小麦、大麦的做了对比后发现，在整个黑麦进化过程中，发生过两次比较明显的基因组扩张事件 。
“一次大约发生在170万年前，这与大麦的扩张时间接近；另一次大约发生在50万年前，这与四倍体小麦的扩张时间近似 。”李广伟表示，在进化路上，栽培黑麦的遗传多样性也在不断降低 。
在李广伟看来，基因复制能够为基因新功能的分化产生新的资源，而且能够为物种在不同条件下的适应性演化提供一个必要基础，这在一定程度上解释了为什么黑麦能够在一些极端条件下具有突出的抗性和极强的适应能力 。
定位功能基因，解析农艺性状
在全世界范围内，6180多万亩的种植面积生产了11.2百万吨的黑麦 。亚洲贡献了全球13％的黑麦产量，其中50％来自中国 。
黑麦非常重要，不仅本身是一种农作物，而且提供人工合成异源六倍体和八倍体新物种小黑麦基因组的三分之一或四分之一 。
“小黑麦是一种非常有价值的作物，这是由黑麦和小麦进行人为杂交产生的一个自然界本不存在的物种，把小麦的高产特性和黑麦应对极端环境的适应能力集于一身 。”王道文表示，小黑麦生物量和籽粒产量远高于黑麦，在全球广泛种植 。
杨建平介绍，全世界与黑麦有“血缘”关系的小麦品种占比非常高，目前中国大约50%小麦品种携带黑麦的染色体，该类品种在北方冬麦区和黄淮冬麦区中占据主导地位 。由黑麦和小麦远缘杂交产生的1BL/1RS易位系，能显著提高小麦的抗病性和产量，为保障我国和世界小麦生产以及粮食安全起到了至关重要的作用 。
此次“威宁黑麦”中一共注释到了45596个高可信度基因，这些基因中有1989个抗病相关基因 。接下来，研究人员还会挖掘黑麦耐瘠薄、耐旱、耐寒的优异基因 。
“我们可以更精确地利用分子标记辅助育种，有目的性地把黑麦的优异基因转移到小麦里发挥作用，为小麦遗传改良提供实质性的帮助 。”任天恒说 。
“这次，我们还找到了一些黑麦驯化背后的基因，比如促进早开花的基因 。农作物育种都希望适当缩短作物生育期，在保证产量的情况下尽早开花、提早成熟，这样可以避开后期的自然灾害，也可以节约更多时间为下一茬作物的种植做好准备 。”王道文说，以黄淮麦区小麦为例，适当早熟就可以避开6月份的酷热或者暴雨天气 。
黑麦很多特殊性状里，有一些与品质相关，比如淀粉合成和储存蛋白，都非常重要 。
“黑麦基因组在演化过程中，淀粉合成通路基因发生过多次复制事件，‘威宁黑麦’中有9个淀粉合成基因发生了复制，复制基因的表达方式会发生改变，有可能在籽粒发育过程中发挥不同的功能 。”论文共同第一作者、北京大学现代农业研究院研究员何航告诉《中国科学报》 。
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