隨著科技的進(jìn)步，在未來，是否會有高大而又高產(chǎn)的小麥？
一種從未被報道過的小麥增產(chǎn)基因被發(fā)現(xiàn)，在田間測產(chǎn)中，攜帶該基因的小麥相比對照組，產(chǎn)量提升了11.9%。
近日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，同期發(fā)表的還有荷蘭瓦赫寧根大學(xué)分子生物學(xué)實驗室G·威爾瑪·范·埃斯博士對該發(fā)現(xiàn)的展望文章，文章指出，該基因的發(fā)現(xiàn)，“是提高谷物產(chǎn)量的里程碑”，“提供了一條最大化小麥產(chǎn)量的新途徑”。
4月18日，論文通訊作者、美國俄克拉荷馬州立大學(xué)小麥分子遺傳實驗室教授嚴(yán)六零告訴新京報記者，這一基因的發(fā)現(xiàn)，為小麥乃至水稻、大麥等育種提供了新的選擇，在未來，小麥或許也可以有“禾下乘涼”的一天。
常規(guī)小麥高產(chǎn)基因TaCol-B5純合型植株(右）和雜合型植株（左）比不帶這一高產(chǎn)基因的植株(中），更加高大，而且高產(chǎn)。
受訪者供圖
新基因功能發(fā)現(xiàn)，影響多個高產(chǎn)性狀
小麥中有數(shù)萬乃至十多萬個基因，全基因測序的實現(xiàn)，使得人們知道了這些基因。但它們各自發(fā)揮著怎樣的作用，仍需要逐一鑒定，這顯然不是一代人或幾代人能完成的任務(wù)。
此次新發(fā)現(xiàn)的增產(chǎn)基因，源于2014年開始的一項提高小麥產(chǎn)量的研究項目。嚴(yán)六零介紹，最初，他們選擇了兩種小麥材料CItr 17600和揚(yáng)麥18，作為親本進(jìn)行雜交，目的是改良小麥的穗型，想要增加小穗數(shù)，以此提高小麥的產(chǎn)量。一個麥穗有多個小穗，一個小穗可結(jié)一兩個至多個種子。
“產(chǎn)量包括三個重要因素，包括穗數(shù)、每穗種子數(shù)和種子重量等，”該論文共同第一作者南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授賈海燕說，“現(xiàn)實中，這些因素在一定幅度范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。在育種時，通過遺傳因素改良穗型和株型，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，是一條有效途徑，但實現(xiàn)該目標(biāo)非常具有挑戰(zhàn)性。”
在最初的實驗中，嚴(yán)六零和團(tuán)隊的科學(xué)家們，將雜交獲得的材料進(jìn)行了遺傳學(xué)定位，定位到了一個特別的基因——TaCol-B5。“對這個基因進(jìn)行克隆和鑒定后，我們發(fā)現(xiàn)，它不僅提高小穗數(shù)，還增加穗數(shù)、粒數(shù)等，一個基因有多個效應(yīng)。”嚴(yán)六零說。
該基因是首次被科學(xué)界報道，嚴(yán)六零說，在此之前，人們不知道這個基因有什么功能。
隱藏的基因，存在于古老小麥中
如此重要的基因，為何此前沒有被發(fā)現(xiàn)？
為了探尋這一原因，在鑒定之后，科學(xué)家團(tuán)隊開始在其他小麥品種中，尋找產(chǎn)量基因。
論文共同第一作者，原就讀于俄克拉荷馬州立大學(xué)的博士生，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所副研究員張小雨介紹，在此后，他們對1857個栽培種進(jìn)行了測試，其中包括1551份中國國家作物種質(zhì)庫保存的小麥材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有不到2%的栽培種中擁有這一基因。“比如157份中國農(nóng)家種，均不含有該基因，346份中國現(xiàn)代育成品種中，僅有4份含有該基因。歐洲的小麥品種中，含有該基因的同樣極少。”
為什么含有這一基因的小麥這么少，漫長的小麥栽培史中，到底發(fā)生了怎樣的變化？科研團(tuán)隊開始追溯小麥的祖先，試圖找到這一基因被大部分栽培種“遺失”的原因。
“當(dāng)前栽培的普通小麥，大多是六倍體，也就是有三組染色體，”論文共同第一作者，中國農(nóng)科院作物所李甜副研究員說，“小麥的祖先是二倍體，和人一樣，只有一組染色體。在人類栽培馴化的過程中，小麥先是變成了四倍體，后來又變成了六倍體。我們尋找的時候，在四倍體的小麥中，發(fā)現(xiàn)了這一基因。”
這說明在以前的小麥中，是含有這個基因的，只是栽培育種的過程中，許多小麥“遺失”了它。
“遺失”的歷史，或許并不遠(yuǎn)
是什么原因造成了這一基因的“遺失”，科學(xué)家們猜測，可能和過去雜交育種時，在選擇表型中的愛好有關(guān)。
這或許要追溯到上世紀(jì)五六十年代的“綠色革命”。
“綠色革命”是發(fā)生在小麥、水稻等主要糧食作物育種中的一次歷史性進(jìn)步，其中，作物矮稈化是“綠色革命”最典型的特征之一。“矮稈可以增強(qiáng)作物抗倒伏的能力，也就相當(dāng)于增加了產(chǎn)量，所以育種家們，一度在多種作物育種中追求矮稈。”嚴(yán)六零說。
TaCol-B5的“遺失”為何被猜測和“綠色革命”有關(guān)？這主要源于它的另一個特征，賈海燕介紹，“我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，含有這一基因的植株，在高產(chǎn)的同時，也會增加株高。這讓我們不得不猜測，是不是在矮稈化的過程中，這一基因沒有被選擇利用。”
小麥的未來，也能“禾下乘涼”嗎？
小麥?zhǔn)侨祟愖钪匾闹骷Z之一，全球每年的小麥產(chǎn)量，接近7.8億噸，占全部糧食產(chǎn)量的20%以上。在中國，小麥也是兩大口糧之一，小麥的增產(chǎn)，對全球糧食供給意義重大，也是育種家們長期以來孜孜不倦的追求目標(biāo)。
新基因的發(fā)現(xiàn)，是否會給小麥帶來大幅增產(chǎn)的契機(jī)？嚴(yán)六零說，這一基因的發(fā)現(xiàn)，給育種者提供了一種選擇，一個新的機(jī)制，讓更多的育種者可以利用這個基因，培育更高產(chǎn)的品種。同時，G·威爾瑪·范·埃斯博士評論說，這一基因不僅可以運用在小麥育種中，在水稻、大麥、黑麥等禾本科的作物中，可能同樣適用。
TaCol-B5會增加小麥的株高，是否會成為這一基因廣泛應(yīng)用的障礙？對此，嚴(yán)六零表示，實驗中尚未發(fā)現(xiàn)易倒伏的情況。
“追求矮稈的綠色革命，在育種歷史上，確實發(fā)揮了非常重要的作用，”賈海燕說，“但也要看到，科技的發(fā)展非常快，在今天，我們有了更多的技術(shù)和手段提升作物抗倒伏的能力，比如可以通過基因技術(shù)，選擇那些可以讓麥稈增粗、增加韌性的基因，提升它抗倒伏的能力。”
在未來，是否會有高稈又高產(chǎn)的小麥？嚴(yán)六零說，“多年以后，是否一定要追求矮稈？矮稈對未來小麥進(jìn)一步提升產(chǎn)量，是否也有影響？這些都需要思考。袁隆平有‘禾下乘涼夢’，他夢想中，高大而又高產(chǎn)的水稻，可以讓人坐在下面乘涼，小麥或許也可以如此。”
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