打開小麥遺傳寶庫

麥田

發源於肥沃月彎的小麥，可說是歷史最悠久的穀物之一。從一萬兩千年前被馴化以後，小麥歷經了多次的變身：從一粒麥、二粒麥到麵包小麥，小麥一直都是很重要的穀物，也是我們日常飲食中非常重要的食物來源。但隨著氣候變遷和全球環境的改變，我們需要培育出更能適應惡劣環境的小麥品種，以確保糧食安全。

過去，農民種植的地方品種小麥雖然能適應各種環境考驗，但產量不高。為了提高產量，科學家們培育出了產量更高的現代小麥品種。然而，這些現代品種的基因多樣性較低，也比較不容易適應環境變化。

為了要讓未來的小麥能夠適應變化的環境，研究團隊把眼光放在古老的地方品系小麥，這些地方品系蘊藏著豐富的基因多樣性，這些基因可以幫助小麥抵抗病蟲害、適應乾旱等。於是，他們從一個叫做Watkins的小麥地方品系蒐藏庫中，選取了827個品系的小麥，分析它們的基因組，並與現代小麥品種進行比較。

Watkins品系蒐藏庫啟動於1924年。當時，Arthur Ernest Watkins加入了劍橋大學的植物育種研究所，開始研究小麥。他意識到這些品系是很重要的資源，於是說服了倫敦貿易公會（London Board of Trade）成立這個種源庫。

他們從32個國家收集了7000多個品系，同時也有系統的種植這些小麥，確保它們的種子持續存活。（雖然二戰時期不得不中斷，這也造成了部分小麥品系回不來了）

後來Watkins種源庫被John Inns Center接手。數年前，他們決定要來看看這些小麥的基因體。定序小麥並不容易，因為小麥的基因體很大（大約是水稻的40倍）。透過與深圳的中國農業科學院合作，他們定序了827個古老的小麥品系，以及另外208個現代小麥品系的基因體，進行大規模的遺傳分析。

研究團隊發現，透過t-SNE、ADMIXTURE和最大似然法等方法，他們可以將Watkins種源庫的小麥分為7個祖先群體(AG1-AG7)。他們發現，現代小麥品系主要源自AG2和AG5兩個祖先群體，這意味著其餘5個群體代表未開發的遺傳資源，為育種提供了豐富的等位基因和單倍型。

在Watkins種源庫中，有許多現代小麥所缺乏的基因變異，這些變異主要存在於AG1、3、4、6和7中。他們利用這些基因變異，將一些優良特性，如高產、抗病性等，成功地導入現代小麥品系中。

他們也在英國和中國進行了10年的大規模田間試驗，記錄了137個性狀的資料，涵蓋產量、營養品質、適應性和抗逆性等方面。另外，他們還利用了一個現代品系Paragon，將127個Watkins種源庫特有的優良等位基因導入Paragon品系，創建了近等基因系(NILs)。通過對這些NILs的田間評估，驗證了這些等位基因在Paragon品系背景下對產量、株高、抽穗期和抗病性等性狀的改良效果。

總而言之，這項研究為我們提供了一個新的育種策略，讓我們能利用古老地方品系的基因多樣性，來培育出更強壯、更能適應環境變化的現代小麥品種，確保未來的糧食安全。

參考文獻：

Cheng, S., Feng, C., Wingen, L.U. et al. Harnessing landrace diversity empowers wheat breeding. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07682-9