智種資訊在線：在過去的萬年里，動植物的馴化奠定了人類文明的基石。其中，大麥和小麥作為全球兩大關(guān)鍵主食作物，至今支撐著無數(shù)人口的生存與發(fā)展。2025年11月17日，《Nature Plants》發(fā)表了一項突破性研究，題為“小麥與大麥顯著的趨同選擇歷史及其育種潛力”。
該研究不僅挖掘出驅(qū)動作物改良的關(guān)鍵基因，還發(fā)掘出大量物種特有的珍貴遺傳變異，并在此基礎(chǔ)上提出了創(chuàng)新育種策略——“跨作物育種”，為未來作物設(shè)計提供了全新思路。
小麥和大麥的萬年同行與分道揚鑣
小麥和大麥?zhǔn)谴蠹s1萬年前開始的農(nóng)業(yè)革命的奠基作物。時至今日，它們?nèi)匀皇鞘澜缟献钪匾墓任镏弧？脊庞涗涳@示，它們的種植歷史在空間和時間上都具有顯著的相似性。這兩種作物都是“新石器時代作物群”的重要組成部分，該作物群從新月沃土逐漸向外擴散，橫跨地中海、巴爾干半島、外高加索和伊朗高原，最終覆蓋歐洲、中亞，然后到達遠東和非洲部分地區(qū)，并適應(yīng)了這些新的環(huán)境。
盡管它們的最終用途不同——小麥主要用于制作面包，而大麥主要用于釀造啤酒和作為動物飼料——但它們在形態(tài)上相似，基因上也密切相關(guān)。研究表明，大麥和小麥大約在800萬至1200萬年前從共同祖先分化，它們之間經(jīng)歷了一次或兩次多倍化事件，導(dǎo)致了極大的遺傳差異，走上了不同的演化道路。
趨同選擇的遺傳印記：不約而同的進化智慧
研究人員發(fā)現(xiàn)，小麥和大麥在適應(yīng)環(huán)境、提高產(chǎn)量以及應(yīng)對生物和非生物脅迫方面，表現(xiàn)出了驚人的平行選擇特征，即“趨同選擇”。這好比兩位“表親”在獨立的馴化路上，面對相似的挑戰(zhàn)（如干旱、高產(chǎn)），不約而同地“發(fā)明”了相似的遺傳解決方案。在全基因組層面，系統(tǒng)性的掃描證據(jù)表明，兩者共享的選擇信號顯著超出了隨機預(yù)期。具體到關(guān)鍵基因：
FUWA基因：花序、籽粒、株型的“總控螺絲刀”。該基因在水稻中已知影響花序和籽粒性狀。在硬粒小麥中的功能驗證表明，其突變體在株高、開花時間、葉面積和生長速率上均受影響，揭示了該基因在控制植物發(fā)育方面具有跨物種的保守功能。
DRO1基因：讓根系“向下扎”的抗旱按鈕。在四倍體小麥中，該基因被證實與根系結(jié)構(gòu)和抗旱性相關(guān)，展示了利用趨同信號識別育種關(guān)鍵基因的實用潛力。
這種趨同進化主要源于它們對相似環(huán)境、農(nóng)藝實踐和最終用途的適應(yīng)。
從共享規(guī)律到獨有寶藏：“跨作物育種”新策略
然而，研究的意義遠不止于發(fā)現(xiàn)共同的規(guī)律。更重要的是，團隊從“不共同”的地方——即那些物種特有的遺傳變異中，找到了新的育種突破口。
在作物選擇的萬年歷史中，不同物種中所有有利等位基因同時被選擇的可能性極低。因此，在一個物種中被選擇保留的變異，可能正是其近緣物種中所缺乏的“寶貴零件”。這些物種特異性的遺傳變異，構(gòu)成了一個尚未被充分利用的“基因?qū)殠?rdquo;。
基于此，研究團隊提出了“跨作物育種”的概念：這就像建立一個“作物優(yōu)良基因共享庫”，將一個物種中鑒定出的、與優(yōu)良性狀關(guān)聯(lián)的非趨同選擇位點，通過現(xiàn)代育種技術(shù)（如基因編輯或遠緣雜交）導(dǎo)入到缺乏該優(yōu)良等位基因的近緣作物中，從而實現(xiàn)性狀的快速改良。
例如：一個調(diào)控開花時間的基因OSMADS50，在六倍體小麥中有一個等位基因在南方群體中被固定，而在大麥和四倍體小麥中卻不存在。這提示可以通過“跨作物育種”，將小麥中的這個等位基因引入到大麥或四倍體小麥中，以改良其適應(yīng)性。一旦功能驗證完成，即可通過基因編輯或回交將該等位基因快速導(dǎo)入，從而拓寬其他作物的緯度適應(yīng)范圍。
古DNA揭秘：修正現(xiàn)代小麥馴化史
研究還特別關(guān)注了GA型小麥（如提莫菲維小麥，一類具有獨特細胞質(zhì)和抗病基因的小麥種群）所攜帶的獨特遺傳變異。
通過分析考古發(fā)掘自法國Chalain湖遺址的“新穎小麥”水漬樣本的古DNA，結(jié)合形態(tài)計量學(xué)分析，證據(jù)表明這種新石器時代晚期（約公元前3200-2600年）被栽培、隨后消失的NGW很可能是一種馴化的提莫菲維小麥，或者是其與BA型二粒小麥的雜交種。這為了解小麥馴化過程的復(fù)雜性提供了新的視角，并強調(diào)了GA型基因庫對現(xiàn)代小麥育種的價值。
育種意義與未來展望
小麥和大麥之間顯著趨同選擇歷史的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著我們對谷類作物馴化和改良的理解發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。它強調(diào)了這些基礎(chǔ)作物相互交織的進化軌跡，并凸顯了跨物種遺傳解決方案在育種中的巨大潛力。
隨著農(nóng)業(yè)界對這些發(fā)現(xiàn)的深入理解，預(yù)計未來將有更多研究探索這些趨同選擇位點如何與更廣泛的基因組環(huán)境（包括表觀遺傳修飾和基因網(wǎng)絡(luò)）相互作用。揭示這些層面的信息將有助于我們更精準(zhǔn)地操控作物基因組，從而優(yōu)化作物性能。
最終，這些知識將指引我們建立一種基于人類與植物共同進化悠久歷史的、更加明智的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。這項研究意義重大，其影響遠不止于小麥和大麥；它為進化生物學(xué)、作物科學(xué)和糧食政策提供了一個引人入勝的案例研究。通過追蹤趨同選擇的特征，我們得以深入了解人類如何塑造并將繼續(xù)塑造我們重要糧食作物的遺傳命運。
智種評論
這篇《Nature Plants》的研究徹底顛覆了我們看待作物育種的方式——它不再只是實驗室里的精密科學(xué)，更是與自然萬年智慧的一場對話。
原來，我們誤解了作物的“成長史”：過去認為作物馴化是條單行道：野生→人工選擇→現(xiàn)代品種。但研究卻發(fā)現(xiàn)，小麥、大麥的進化更像“自然界的樂高積木游戲”——通過獨立進化、趨同選擇，甚至跨物種“借鑒基因”，形成了復(fù)雜的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這告訴我們：每一粒種子，都是基因、環(huán)境與人類選擇共同書寫的史詩。
育種有了“高德地圖”：研究發(fā)現(xiàn)，不同谷物中控制關(guān)鍵性狀的基因總會被反復(fù)選中。這就像大自然在基因?qū)用媪粝碌?ldquo;五星書簽”——指引育種者精準(zhǔn)鎖定目標(biāo)，告別盲目篩選，大幅提升效率。
最震撼的突破-跨作物育種：研究提出，不同作物可以像“互相借用零件”一樣，共享優(yōu)質(zhì)基因模塊。這意味著，未來的超級作物，或許將是匯聚各物種優(yōu)勢的“混血天才”。
給我們的啟示：萬年馴化史，就是一部寫在基因里的“育種寶典”；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不再是“選優(yōu)”，而是“重現(xiàn)進化智慧”；這套方法將孕育出“作物基因朋友圈”，實現(xiàn)整體升級。
“讀懂種子里的萬年智慧，就能寫下農(nóng)業(yè)的未來篇章——每一粒谷物，都將是人類與自然合著的杰作。”
論文原文：https://www.nature.com/articles/s41477-025-02128-0
