山西農業大學雜糧分子育種團隊近日在國際植物領域頂級期刊《Nature Plants》（1區Top期刊，SCI影響因子13.256）發表了題為"A mini foxtail millet with an Arabidopsis-like life cycle as a C4model system"論文。同期《Nature Plants》刊發了中國科學院遺傳與發育生物學研究所的餘泓博士的News & Views點評文章，對該研究給予了高度評價。這項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和山西省重點研發計劃的資助。據悉，這是我省《Nature Plants》以第一單位發表的首篇論文，也是近年來國際穀子研究領域發表的影響因子最高的論文。
「小米」是C4基因功能研究的理想模式體系
穀子是二倍體自花授粉作物，基因組較小，具有高質量的參考基因組，是極具發展潛力的C4禾穀類模式植物。但是穀子生育期較長、株高較高、遺傳轉化困難等特點極大地限制了其作為模式植物在功能基因組學研究中的應用。
「有一個成語叫作『揠苗助長』，和農民一樣，科研工作者也希望研究對象能夠長得快一點。」穀子、糜子基因資源開發與分子育種山西省科技創新團隊核心成員、山西農業大學生命科學學院王興春教授介紹說，通常遺傳研究領域採用「果蠅」，動物和醫學研究領域採用「小白鼠」，植物領域採用「擬南芥」作為研究的平臺。但隨著科學研究的深入，人們發現利用雙子葉擬南芥做研究無法解決禾本科特有的問題。之後，中國科學院院士錢前的研發團隊建立了水稻模式植物體系「小薇」，它具有生長周期短、株型和生物量小、空間利用率高等優勢，可以像擬南芥一樣，在實驗室內進行大規模種植和篩選。高等植物按照二氧化碳同化途徑的不同,分為C3、C4等植物。與C3植物相比，C4植物具有更高的光合效率和水肥利用效率。因此，解析C4高光效機制，並將其轉入水稻等C3作物中，有望大幅提高C3作物的產量，保障國家糧食安全。然而，擬南芥和「小薇」都是C3植物，它們作為穀子、玉米和高粱等C4禾穀類作物的模式植物時有很大的局限性，無法解決諸如C4光合代謝以及許多黍亞科特殊的基礎問題。因此，「小米」模式植物體系的建立對於C4禾穀類植物基礎研究領域來說意義更為重大。
「在山西，穀子生長周期長達5個月。對於科研人員而言，是一個相當漫長的過程。此外，大田試驗容易受到不利氣候條件的影響，如果遇到自然災害還可能導致試驗徹底失敗，白白浪費一年的時間。而我們研發的模式植物『小米』從播種到收穫僅僅需要2個月左右，株高僅30cm，這與模式植物擬南芥和『小薇』相當，非常適合室內大規模種植研究。」王興春說。「小米」模式植物體系的建立將極大促進C4高光效、氮素高效吸收利用機制、抗旱機制、遺傳馴化和優異品質形成的分子基礎等研究，使「小米」成為C4植物功能研究的理想模式系統。
利用「小米」模式體系發掘重要功能穀子基因
山西農業大學雜糧分子育種團隊由山西省高層次引進人才韓淵懷教授於2010年開始組建。現有省高層次引進人才、省131領軍人才、「三晉英才」等優秀人才數十名，主要從事雜糧功能基因組學、氮磷高效利用的機制、穀子優異品質形成的分子機制和穀子白髮病抗性機制等研究。據了解，長期以來，穀子品種選育主要依靠傳統育種方法，主要針對產量相關特徵開展改良，對品質特徵、抗逆性（如抗旱）的選擇難度很大，嚴重影響穀子品質、抗逆育種。利用分子標記輔助育種可以高效、精準地開展品質及抗性等方面的育種，而分子育種的前提是明確控制相關性狀的基因，這就需要通過功能基因組學的手段進行分析。
「要從茫茫谷田中篩選出有特殊性狀的品種，並非易事。篩選完畢後，我們在實驗室裡探尋這些特殊穀子背後的基因，用分子生物學的方法解析它們的功能。然後，再回到地裡，以這些理論指導育種。」回想起當初在試驗田裡尋找到這份意外驚喜時的場景，山西農大生命科學學院副教授李旭凱直到現在，還感覺歷歷在目。科研團隊利用EMS誘變技術對山西省名優穀子晉谷21進行誘變，歷經兩年，在十餘畝穀子試驗田裡70萬株谷穗中篩選出一個超早熟突變體「小米」。「小米」突變體表現出極早的開花表型，約70天內即可完成了生命周期。試驗中，通過延長光照時間和優化其他條件，可以將其的生命周期進一步縮短到65天，每年可以在人工氣候室裡完成種植5代到6代。「利用『小米』模式體系可以幫助我們發掘穀子中控制品質、抗逆、耐貧瘠等特徵的相關基因，進而利用這些基因的分子標記開展穀子分子育種，培育米色好、口感好、保健功能強、抗逆、水肥高效且適於機械化栽培的優質穀子品種。」李旭凱說，這是我們開展這項科研的目的。
高水平研究促進山西雜糧國際化
團隊負責人韓淵懷教授介紹，團隊利用二代、三代基因組測序技術對該超早熟材料進行了基因組測序和組裝，獲得了「小米」的高質量參考基因組，構建了全生育期基因表達圖譜和穀子多組學資料庫。穀子多組學資料庫是國際上第一個比較全面的穀子資料庫，該資料庫的建立極大地方便了穀子功能基因組學研究。經過大量摸索和嘗試，團隊還建立起一套方便快捷、高效穩定的農桿菌介導的遺傳轉化體系，該體系遺傳轉化效率高達23.28%，已經接近模式植物擬南芥和水稻的遺傳轉化水平，從而解決了「小米」作為模式植物遺傳轉化效率低下的難題。「小米」C4禾穀類模式植物體系在植物領域研究引起熱烈的反響，已經有20多家科研單位索要「小米」材料。
餘泓博士在News & Views點評文章中說，「以適於室內大規模栽培的超短生育期突變體『小米』為材料，建立了一個新的C4植物模式體系。超短生育期的迷你突變體，加上高質量的參考基因組和一個高效的遺傳轉化方法，為解析C4光合作用獨特而有趣的生物學特性鋪平了道路。」水稻模式植物體系「小薇」研發團隊的錢前院士對「小米」給予了很高的評價。他說，「C3的模式作物有小薇，C4的又有了小米，希望『小薇』和『小米』共同築起基礎研究領域的新平臺，為保障國家糧食安全做出應有的貢獻。」「小薇」和「小米」的模式植物體系的建立為科學家發掘控制作物產量與品質的基因、開展分子育種和促進高產優質作物新品種的選育提供了便利條件。
目前，山西農業大學雜糧分子育種團隊利用「小米」材料開展了穀子優異品質形成機制、氮素高效吸收利用的分子調控網絡、白髮病抗性等研究工作，積極開展穀子基礎研究乃至穀子分子育種，從而提升山西小米品牌競爭力。高水平的穀子研究也將提升山西農谷的國際影響力，促進山西穀子等雜糧的國際化。
本報記者沈佳