论文部分内容阅读
摘 要：分子生物学是研究小麦生物特性和育种的重要工具。以了解分子生物学工具在小麦基因和性状研究中的价值和预测小麦分子生物学研究未来的方向为主要目的，通过对相关文献的遍历，论述了小麦的全基因组数据获取和信息分析方法，揭示了分子生物学工具对于性状改良方面的研究价值。分析认为，小麦分子生物学未来的研究方向将会着眼于对小麦全基因组信息认识、进化特性方面，通过各类方法诱导变异和转基因杂交技术。
关键词：小麦;分子生物学;基因组;性状;育种
文章编号： 1005-2690（2021）15-0022-02 中国图书分类号： S512.1 文献标志码： B
小麦（学名：Triticum aestivum L.）是世界三大谷物之一，也是主要的粮食之一。小麦是禾本科小麦种植物的统称，是一种在世界各地广泛种植的农作物。小麦的麦粒是人类的主食之一，磨成面粉后可制作面包、馒头、饼干等食品;发酵后可制成啤酒、酒精、白酒。小麦富含淀粉、蛋白质、脂肪、矿物质、钙、铁、维生素A及维生素C等物质。小麦的生产对于人类营养和农业发展具有至关重要的作用。
小麦是最早被人类培育出来的农作物之一，其栽培历史可以追溯到7 000年前在中东地区的种植。小麦是六倍体作物，其全基因组大小被预估为17Gb。现代亚细胞学和分子生物学研究推测，小麦的染色体组成为AABBDD：其A基因供体来自乌拉图小麦（一种野生的二倍体小麦）;B基因供体来自与拟斯贝尔托山羊草相似的一种未知杂草;D基因供体来自节节麦（一种山羊草属野生植物）[1]。
小麦的全基因组测序目前由国际小麦基因组测序联合会（以下简称“IWGSC”）主导。经过测序发现，小麦的所有基因都集中在7对A染色体（1A，2A，3A，4A，
5A，6A，7A），7对B染色体（1B，2B，3B，4B，5B，6B，7B）和7对D染色体（1D，2D，3D，4D，5D.6D，7D）上面[2]。
科学界对于小麦各类编码基因、转录本和变异类型的研究都收获颇丰。小麦基因组的科研成果在小麦育种和疾病防治上取得显著成效。但是，小麦的基因还未被完全研究清楚，许多隐藏在DNA中的特异性片段有待被揭示。
1 小麦的全基因组测序研究进展
小麦的分子生物学全基因组测序现由IWGCS承担。由IWGCS数据可知，小麦DNA被发现的全基因组最佳路径长度（golden path length）为14 547 261 565，编码基因为107 891个[3]。
小麦的全基因组测序的主要任务是发现小麦基因组序列信息和对这些信息梳理、收录和为了解小麦的基因特性和对其性状改良提供数据支撑。
研究小麦全基因组的第一步是获得基因数据，但其基因的复杂性给传统的测序方法带来了巨大的挑战。为获得有意义的小麦基因数据，科学家需进行方法创新。Ramirezgonzalez R H和Caccamo M等人新开发的Polymarker工具所设计引物能有效嵌合六倍体小麦基因组，并能探测到其中多样的SNP（多核苷酸多态性）标记。
除此之外，小麦的基因数量和碱基数量过于庞大，极大影响分析速度。为解决此问题，Goyal A和Kwon H J等人则采用新的DRAGEN Bio-IT，该系统的数据分析速度达到了传统的二代基因测序技术数据分析速度的50倍[4]。
为对原始小麦基因组数据进行梳理，有利于小麦全基因组研究的信息共享和科学发展，各类小麦基因组数据库也被建立起来。Hassanipak K和Esch M等将小麦基因组测序进行分析并放在www.ondex.org和http：//knetminer.rothamsted.ac.uk上以供调阅[5]。Wilkinson P A， Winfield M O等人开发出CerealDB数据库，该库可被用来分析小麦中SNP标记[6]。
这些数据库对于方便同行查阅小麦基因信息，找到小麦基因中的SNP標记，揭示小麦的生物学作用机制，提高产量、增强抗病性、增加营养性和提高吸水效率，研究小麦的营养价值、粒径、开花和传粉特性都具有重要作用。
2 分子生物学在小麦栽培上的实际运用
小麦分子生物学对小麦抗病、抗旱、高产和提高谷物蛋白质等性状改良有所帮助。在小麦全基因组测序和测序图谱的帮助下，育种人员可通过寻找数量性状基因座（quantitative trait locus，QTL）来找到小麦目标性状基因。
QTL对于小麦抗旱性状的成因有很强大的解释能力。研究人员发现，QTL的作用可解释24.68%～35.21%的个体抗旱差异和78.03%的环境造成的抗旱能力差异[7]。对于谷物重量而言，位于1A染色体短臂、2B染色体短臂和7A染色体短臂1个QTL具有决定性作用。高密度遗传连锁图谱是QTL精确定位的基础。而由SNP和SSR（simple sequence repeat，简单重复序列）标记组成的高密度遗传连锁图，对于影响小麦特定性状QTL的寻找具有很好效果。
3 小麦分子生物学工程的研究进展
目前来看，未来小麦的基因研究将以国际合作交流为主，而研究重点会着眼于以下几方面：更加清晰认识小麦染色体所有基因的序列;了解小麦的进化特性;通过物理、化学和生物学方法诱导小麦基因突变和染色体变异来进行小麦育种;通过转基因将各种植物优良性状的基因转移到小麦上进行育种。
首先，小麦基因组物理图谱目前由多个国家的研究人员联合承担研究，其中，来自中国的西北农林科技大学的研究团队将负责7D长臂基因的物理图谱构建，未来会有更多成果。 其次，小麦的祖先供体并没有完全确定。确定小麦各基因组的真正供体和弄清小麦进化路径会成为未来的一个重要课题。
目前发现，节节麦（小麦D染色体可能祖先）DNA的大量相似的重复序列会导致基因重组错误，而这种错误可能正是小麦快速进化的原因。进化研究对于了解小麦经济性状的发生历史本身具有很大价值。
张岁岐、山仑和邓西平[8]等人的研究表明，小麦的染色体进化加倍过程伴随着其水分利用效率的提高和根长及根冠比的下降[9]。然后是利用物理、化学和生物的干涉造成小麦遗传物质改变。
物理干涉小麦变异的常用方法就是辐射育种（利用紫外光等改变小麦的遗传物质）。目前，辐射杂交的作用体主要是D染色体，相关的研究也正在有序开展，辐射杂交所产生的效果可以被用来绘制基因图谱。
化学方法对此也有很大的研究空间。例如，利用不同浓度的磺胺灵处理小麦可以造成小麦染色体的异常变化，而且处理时间的不同对于小麦染色体结构变异的影响大于处理浓度[10]。
生物学的处理也可以造成小麦染色体和基因的变异。例如，λDNA在小麦从萌动期到二叶期的导入处理亦可引起小麦的染色体变异[11]。
最后，转基因技术在未来可能会被开发成熟并用于实际生产。Schneider A等人发现，他们可以将山羊草属植物的许多基因有效地转移到栽培小麦上，包括抗叶锈病、茎锈病、黄锈病和白粉病的基因[12]。
除了对亲缘异种植物的转基因研究外，远缘植物特定基因对小麦转基因也正在展开。例如，陈绪清等人[13]将玉米的C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧酶基因（可提高植物光合速率）成功转入小麦体内，并完成了转录和翻译[14]。
参考文献：
[ 1 ] Unknown writer.Triticumaestivum assembly and gene.annotation.[EB/OL].http：//plants.ensembl.org.
[ 2 ] Unknown writer.IWGSC bread wheat projects.[EB/OL].http：//www.wheatgenome.org
[ 3 ] Ramirezgonzalez R H， Uauy C， Caccamo M， et al. PolyMarker： A fast polyploid primer design pipeline[J].Bioinformatics， 2015，31（12）： 2038-2039.
[ 4 ] Goyal A，Kwon H J，Lee K，et al.Ultra-Fast next generation human genome sequencing data processing using DRAGENTM Bio-IT processor for precision medicine[J].Open Journal of Genetics，2017，7（1）：9-19.
[ 5 ] Hassanipak K，Castellote M A，Esch M，et al.Developing integrated crop knowledge networks to advance candidate gene discovery[J].Applied and Translational Genomics，2016：18-26.
[ 6 ] Wilkinson P A，Winfield M O， Barker G L，et al.CerealsDB 3.0： expansion of resources and data integration[J].BMC Bioin-
formatics，2016，17（1）：256.
[ 7 ] Kulwal P L，Kumar N，Gaur A，et al.Mapping of a major QTL for pre-harvest sprouting tolerance on chromosome 3A in bread wheat[J].Theoretical and Applied Genetics，2005（6）：1052-1059.
[ 8 ] 張岁岐，山仑，邓西平.小麦进化中水分利用效率的变化及其与根系生长的关系[J].科学通报，2002，47（17）：1327.
[ 9 ] Rieralizarazu O，Leonard J M，Tiwari V K，et al.A method to produce radiation hybrids for the D-Genome chromosomes of wheat （Triticum aestivum L.）[J].cytogenetic and genome research，2010：234-240.
[ 10 ] 张竞秋，李卓.胺磺灵诱导小麦根尖染色体结构的变异[J].华北农学报，2008（2）：65-66.
[ 11 ] 于元杰，沈法富，等. λDNA导入引起小麦染色体变异的研究[J].西北植物学报，1999，19（3）：381-386.
[ 12 ] Schneider A，Molnar I，Molnarlang M，et al.Utilisation of Aegilops （goatgrass）species to widen the genetic diversity of
cultivated wheat[J].Euphytica，2008（1）：1-19.
[ 13 ] 陈绪清，张晓东，梁荣奇，等.玉米C4型pepc基因的分子克隆及其在小麦的转基因研究[J].科学通报，2004，49（19）：1976-1982.
[ 14 ] 王晨，刘磊，姚凝聪，等.小麦WRKY基因的克隆、表达分析及其遗传转化[C]//中国的遗传学研究——遗传学进步推动中国西部经济与社会发展——2011年中国遗传学会大会会议论文集.北京：中国遗传学会，2011：86.
关键词：小麦;分子生物学;基因组;性状;育种
文章编号： 1005-2690（2021）15-0022-02 中国图书分类号： S512.1 文献标志码： B
小麦（学名：Triticum aestivum L.）是世界三大谷物之一，也是主要的粮食之一。小麦是禾本科小麦种植物的统称，是一种在世界各地广泛种植的农作物。小麦的麦粒是人类的主食之一，磨成面粉后可制作面包、馒头、饼干等食品;发酵后可制成啤酒、酒精、白酒。小麦富含淀粉、蛋白质、脂肪、矿物质、钙、铁、维生素A及维生素C等物质。小麦的生产对于人类营养和农业发展具有至关重要的作用。
小麦是最早被人类培育出来的农作物之一，其栽培历史可以追溯到7 000年前在中东地区的种植。小麦是六倍体作物，其全基因组大小被预估为17Gb。现代亚细胞学和分子生物学研究推测，小麦的染色体组成为AABBDD：其A基因供体来自乌拉图小麦（一种野生的二倍体小麦）;B基因供体来自与拟斯贝尔托山羊草相似的一种未知杂草;D基因供体来自节节麦（一种山羊草属野生植物）[1]。
小麦的全基因组测序目前由国际小麦基因组测序联合会（以下简称“IWGSC”）主导。经过测序发现，小麦的所有基因都集中在7对A染色体（1A，2A，3A，4A，
5A，6A，7A），7对B染色体（1B，2B，3B，4B，5B，6B，7B）和7对D染色体（1D，2D，3D，4D，5D.6D，7D）上面[2]。
科学界对于小麦各类编码基因、转录本和变异类型的研究都收获颇丰。小麦基因组的科研成果在小麦育种和疾病防治上取得显著成效。但是，小麦的基因还未被完全研究清楚，许多隐藏在DNA中的特异性片段有待被揭示。
1 小麦的全基因组测序研究进展
小麦的分子生物学全基因组测序现由IWGCS承担。由IWGCS数据可知，小麦DNA被发现的全基因组最佳路径长度（golden path length）为14 547 261 565，编码基因为107 891个[3]。
小麦的全基因组测序的主要任务是发现小麦基因组序列信息和对这些信息梳理、收录和为了解小麦的基因特性和对其性状改良提供数据支撑。
研究小麦全基因组的第一步是获得基因数据，但其基因的复杂性给传统的测序方法带来了巨大的挑战。为获得有意义的小麦基因数据，科学家需进行方法创新。Ramirezgonzalez R H和Caccamo M等人新开发的Polymarker工具所设计引物能有效嵌合六倍体小麦基因组，并能探测到其中多样的SNP（多核苷酸多态性）标记。
除此之外，小麦的基因数量和碱基数量过于庞大，极大影响分析速度。为解决此问题，Goyal A和Kwon H J等人则采用新的DRAGEN Bio-IT，该系统的数据分析速度达到了传统的二代基因测序技术数据分析速度的50倍[4]。
为对原始小麦基因组数据进行梳理，有利于小麦全基因组研究的信息共享和科学发展，各类小麦基因组数据库也被建立起来。Hassanipak K和Esch M等将小麦基因组测序进行分析并放在www.ondex.org和http：//knetminer.rothamsted.ac.uk上以供调阅[5]。Wilkinson P A， Winfield M O等人开发出CerealDB数据库，该库可被用来分析小麦中SNP标记[6]。
这些数据库对于方便同行查阅小麦基因信息，找到小麦基因中的SNP標记，揭示小麦的生物学作用机制，提高产量、增强抗病性、增加营养性和提高吸水效率，研究小麦的营养价值、粒径、开花和传粉特性都具有重要作用。
2 分子生物学在小麦栽培上的实际运用
小麦分子生物学对小麦抗病、抗旱、高产和提高谷物蛋白质等性状改良有所帮助。在小麦全基因组测序和测序图谱的帮助下，育种人员可通过寻找数量性状基因座（quantitative trait locus，QTL）来找到小麦目标性状基因。
QTL对于小麦抗旱性状的成因有很强大的解释能力。研究人员发现，QTL的作用可解释24.68%～35.21%的个体抗旱差异和78.03%的环境造成的抗旱能力差异[7]。对于谷物重量而言，位于1A染色体短臂、2B染色体短臂和7A染色体短臂1个QTL具有决定性作用。高密度遗传连锁图谱是QTL精确定位的基础。而由SNP和SSR（simple sequence repeat，简单重复序列）标记组成的高密度遗传连锁图，对于影响小麦特定性状QTL的寻找具有很好效果。
3 小麦分子生物学工程的研究进展
目前来看，未来小麦的基因研究将以国际合作交流为主，而研究重点会着眼于以下几方面：更加清晰认识小麦染色体所有基因的序列;了解小麦的进化特性;通过物理、化学和生物学方法诱导小麦基因突变和染色体变异来进行小麦育种;通过转基因将各种植物优良性状的基因转移到小麦上进行育种。
首先，小麦基因组物理图谱目前由多个国家的研究人员联合承担研究，其中，来自中国的西北农林科技大学的研究团队将负责7D长臂基因的物理图谱构建，未来会有更多成果。 其次，小麦的祖先供体并没有完全确定。确定小麦各基因组的真正供体和弄清小麦进化路径会成为未来的一个重要课题。
目前发现，节节麦（小麦D染色体可能祖先）DNA的大量相似的重复序列会导致基因重组错误，而这种错误可能正是小麦快速进化的原因。进化研究对于了解小麦经济性状的发生历史本身具有很大价值。
张岁岐、山仑和邓西平[8]等人的研究表明，小麦的染色体进化加倍过程伴随着其水分利用效率的提高和根长及根冠比的下降[9]。然后是利用物理、化学和生物的干涉造成小麦遗传物质改变。
物理干涉小麦变异的常用方法就是辐射育种（利用紫外光等改变小麦的遗传物质）。目前，辐射杂交的作用体主要是D染色体，相关的研究也正在有序开展，辐射杂交所产生的效果可以被用来绘制基因图谱。
化学方法对此也有很大的研究空间。例如，利用不同浓度的磺胺灵处理小麦可以造成小麦染色体的异常变化，而且处理时间的不同对于小麦染色体结构变异的影响大于处理浓度[10]。
生物学的处理也可以造成小麦染色体和基因的变异。例如，λDNA在小麦从萌动期到二叶期的导入处理亦可引起小麦的染色体变异[11]。
最后，转基因技术在未来可能会被开发成熟并用于实际生产。Schneider A等人发现，他们可以将山羊草属植物的许多基因有效地转移到栽培小麦上，包括抗叶锈病、茎锈病、黄锈病和白粉病的基因[12]。
除了对亲缘异种植物的转基因研究外，远缘植物特定基因对小麦转基因也正在展开。例如，陈绪清等人[13]将玉米的C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧酶基因（可提高植物光合速率）成功转入小麦体内，并完成了转录和翻译[14]。
参考文献：
[ 1 ] Unknown writer.Triticumaestivum assembly and gene.annotation.[EB/OL].http：//plants.ensembl.org.
[ 2 ] Unknown writer.IWGSC bread wheat projects.[EB/OL].http：//www.wheatgenome.org
[ 3 ] Ramirezgonzalez R H， Uauy C， Caccamo M， et al. PolyMarker： A fast polyploid primer design pipeline[J].Bioinformatics， 2015，31（12）： 2038-2039.
[ 4 ] Goyal A，Kwon H J，Lee K，et al.Ultra-Fast next generation human genome sequencing data processing using DRAGENTM Bio-IT processor for precision medicine[J].Open Journal of Genetics，2017，7（1）：9-19.
[ 5 ] Hassanipak K，Castellote M A，Esch M，et al.Developing integrated crop knowledge networks to advance candidate gene discovery[J].Applied and Translational Genomics，2016：18-26.
[ 6 ] Wilkinson P A，Winfield M O， Barker G L，et al.CerealsDB 3.0： expansion of resources and data integration[J].BMC Bioin-
formatics，2016，17（1）：256.
[ 7 ] Kulwal P L，Kumar N，Gaur A，et al.Mapping of a major QTL for pre-harvest sprouting tolerance on chromosome 3A in bread wheat[J].Theoretical and Applied Genetics，2005（6）：1052-1059.
[ 8 ] 張岁岐，山仑，邓西平.小麦进化中水分利用效率的变化及其与根系生长的关系[J].科学通报，2002，47（17）：1327.
[ 9 ] Rieralizarazu O，Leonard J M，Tiwari V K，et al.A method to produce radiation hybrids for the D-Genome chromosomes of wheat （Triticum aestivum L.）[J].cytogenetic and genome research，2010：234-240.
[ 10 ] 张竞秋，李卓.胺磺灵诱导小麦根尖染色体结构的变异[J].华北农学报，2008（2）：65-66.
[ 11 ] 于元杰，沈法富，等. λDNA导入引起小麦染色体变异的研究[J].西北植物学报，1999，19（3）：381-386.
[ 12 ] Schneider A，Molnar I，Molnarlang M，et al.Utilisation of Aegilops （goatgrass）species to widen the genetic diversity of
cultivated wheat[J].Euphytica，2008（1）：1-19.
[ 13 ] 陈绪清，张晓东，梁荣奇，等.玉米C4型pepc基因的分子克隆及其在小麦的转基因研究[J].科学通报，2004，49（19）：1976-1982.
[ 14 ] 王晨，刘磊，姚凝聪，等.小麦WRKY基因的克隆、表达分析及其遗传转化[C]//中国的遗传学研究——遗传学进步推动中国西部经济与社会发展——2011年中国遗传学会大会会议论文集.北京：中国遗传学会，2011：86.