小麦品质育种不再开“盲盒” 基因组蓝图打开“精准育种”新通道

小麦，是全球最重要的粮食作物之一。山东作为中国农业大省，在小麦育种上做出了突出贡献，作为具有划时代意义的功勋小麦品种——“济麦22”以其高产优质的品种特性和极其稳定的田间表现，连续多年成为全国种植面积最大的小麦品种，山东每2个馒头就有1个出自它。在此之后，谁能接棒“济麦22”、超越“济麦22”，成为小麦育种界的时代课题。同时，市场对满足不同烘焙和面食加工需求的优质小麦，需求持续增加。在此之后，山东省农业科学院作物研究所又育成了“济麦44”，在高产的同时，品质大幅提升，成为我国首批“超强筋小麦品种”之一。但从近20年的育种实践看，常规经验育种手段已很难支撑小麦品质育种实现“跨台阶”式的突破。

今天，省农科院作物所小麦遗传育种团队联合中科院遗传与发育生物学研究所团队，在国际学术期刊《Nature Plants》发表其关于小麦品质适应性演化的最新研究成果（论文题为“A high-quality bread wheat genome unravels the adaptive evolution of wheat end-use quality”）。该成果从省农科院育成的我国代表性优质高产小麦品种“济麦44”出发，成功组装了参考级高精度基因组，完整解析了决定小麦品质的关键——小麦面筋“基因簇”的复杂结构，并系统揭示了关键基因选择和基因间协同互作在塑造小麦加工品质中的重要作用。

也就是说，该成果把一个在生产上大面积推广的优良品种，转化为认识小麦品质形成机制的“基因组蓝图”。不仅回答了“‘济麦44’为什么能够兼具高产与优质”的关键科学问题，更为未来优质专用小麦的精准设计育种提供了新的靶点、思路和技术依据，能够有效增强育种的目标性、加速育种进程。

作物所小麦遗传育种团队在《Nature Plants》发表小麦品质育种重大研究成果

“济麦44”基因组的高质量组装与注释

精准解析“济麦44”基因组

看清复杂面筋基因区的“底层密码”

在传统育种中，小麦的“高产”与“优质”往往难以兼顾。尤其“济麦22”大面积推广后，小麦育种更需在高产基础上，进一步突破“优质”。

优质小麦育种怎样才能取得“跨台阶”式的突破？省农科院作物所研究员曹新有决定带领团队解析小麦优质高产协同形成机制，探明优良性状背后的遗传基础，就从他们育成的“济麦44”入手！

“济麦44”是曹新有团队育成的近年来黄淮麦区表现优异的优质强筋品种之一，累计推广面积达4251万亩，曾连续三年成为我国年推广面积第一大的强筋小麦品种，亩产三次创全国超强筋小麦单产纪录，最高达808.6公斤/亩，较好实现了高产与优质的协同。

需要关注的是，小麦育种，实验得出品质优势只是基础，得到生产实践的检验和认可才是真“成了”。“济麦44”作为这样一个“成了”的优异品种，正是解析小麦优质高产协同形成机制的理想材料。

小麦加工品质主要由籽粒中的面筋蛋白决定。面筋蛋白赋予面团延展性和弹性，是决定面包体积、面条筋道和多种食品加工特性的核心因素。然而，面筋蛋白编码基因在小麦庞大而复杂的基因组中呈现高度重复、成簇分布和结构多变等特点，长期以来难以被完整、准确解析。这一技术瓶颈制约了小麦品质关键遗传变异的系统发掘，也限制了育种中对优质基因资源的精准利用。

研究团队利用前沿测序技术，成功构建了“济麦44”高达14.90Gb的染色体级别参考基因组，完整解析了小麦基因组中结构极为复杂的面筋基因区域。这相当于为“济麦44”绘制了一张高精度“遗传地图”，让长期依靠田间表型选择积累的优良性状，第一次能够在基因组层面被系统定位、解释和利用。

通过比对分析，研究人员在“济麦44”的一个关键高分子量谷蛋白基因中精准定位到了一个增加额外半胱氨酸的核苷酸突变。这一突变促进了面筋蛋白网络中二硫键的形成，是赋予面团超强弹性的关键因素之一。这一发现从分子层面为“济麦44”的优良面团品质提供了重要解释，也为强筋小麦分子标记开发和精准改良提供了可利用位点。

追踪上万年选择足迹

发现育种“协同网络”

面筋蛋白基因间的上位性互作

研究是为了寻求新的育种路径，而不仅仅是解释一个品种的成功。在完成“济麦44”基因组解析的基础上，研究团队进一步整合野生近缘种、传统地方品种和现代栽培种等485份小麦材料的基因组数据，构建高分辨率遗传变异图谱，追溯了小麦品质性状在上万年的驯化、多倍化、欧亚传播和现代育种过程中的变化轨迹。

研究显示，小麦品质改良并不是简单依靠个别“明星基因”的累积。长期以来，结构高度可变的低分子量麦谷蛋白和醇溶蛋白基因，都是人类选择的重要靶点。

更重要的是，研究揭示了现代育种过程中的一项潜在规律：现代小麦品种品质的提升，并非仅靠单个优质基因的积累，更依赖于基因间的“上位性互作”，也就是基因间的“网络协同作战”。统计显示，在中国现代栽培小麦品种中，建立了多达79对紧密互作的面筋基因对，而这一数据在传统地方品种中仅为15对。

从“单基因优选”走向“基因网络设计”

打开“精准育种”新通道

这一发现对育种具有重要启示：未来创制优质小麦，不能只盯住单个优质基因、关键优良等位变异，也要关注不同面筋蛋白基因之间的组合关系、互作效应和整体网络，探索最佳组合。“我们的育种目标正在从‘找到好基因’，进一步走向‘设计好组合’。”曹新有说，通过解析和利用基因的协同互作网络，育种家有望更高效地培育兼具高产、稳产和优质加工品质的小麦新品种。

曹新有告诉记者，大家不需要一听“基因”就色变，在现有育种体系中，通过这次研究解析出的基因组合，就能够帮助育种更好地筛选亲本材料，更早地检测育种早代材料，从而有效增强育种的目标性，加速育种进程，这为优质小麦育种提供了新策略，打开了“精准育种”的新通道。

未来，基于“济麦44”高质量基因组和面筋基因互作网络，研究团队将进一步开展关键品质基因功能验证、优异单倍型挖掘和分子标记开发，推动小麦品质育种从经验选择向精准设计转变，让优良品种成为育种创新的起点。

据悉，山东省农业科学院作物研究所曹新有研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生张吉瑾为该论文共同第一作者；中国科学院遗传与发育生物学研究所鲁非研究员、博士生张吉瑾与山东省农业科学院赵振东院士为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者计划等项目的资助。

（大众新闻记者 王亚楠）