【科研论文科普解读】

  一株能在4500米高原开花结实的苦荞，为什么被我们“改良”之后，反而回不了高原了？

  8月11日，中国农业科学院作物科学研究所联合国内外团队在《细胞（Cell）》发表一项研究，给出了答案。他们从野生苦荞中找回了一个在驯化中丢失的高原适应基因，再和地方品种里的大粒高产变异结合在一起，让苦荞既能扛住高原、又能结出大粒。

  这项成果是怎么做到的？得先从苦荞的两难说起。

  苦荞为什么“回不了高原”

  在喜马拉雅山区，平均海拔超过3500米，强紫外线和低温等多重环境胁迫让许多作物难以完成一生。可野生苦荞能在4500米以上的地方照常开花、结实。然而，野生苦荞的籽粒通常较小；经过长期驯化与人工选择，人们在低海拔地区培育出了籽粒更大、产量更高的栽培苦荞，但当这些大粒品种重新种植到高原时，往往又表现出明显的适应性不足。苦荞似乎被迫面对一道难以回避的选择题，要么耐得住高原严酷环境，要么结出大粒、获得高产。

  苦荞虽带个“麦”字，却不是禾本科作物，而是一种假谷物。它生育期短、耐瘠薄，在水稻小麦难稳长的冷凉山区长期充当补充口粮；籽粒富含芦丁、槲皮素等黄酮类物质，是健康食品的原料。如今我国荞麦产业产值已达数百亿元，苦荞正从“备荒粮”变成特色作物。

  要破解“既耐高原又结大粒”这道难题，希望恰恰藏在中国的野生荞麦资源里。我国是世界荞麦资源最丰富的国家，学界公认荞麦起源于中国，青藏高原东缘一带是它的起源与多样性中心。这里复杂的地形与显著的海拔落差，保存了大量耐寒、耐紫外的遗传变异。不过，这些野生资源多散落在深山峡谷，要靠长期考察、收集才能用到育种中。也正因为如此，驯化中丢失的适应能力，往往只能回到野生种里去找。

  一个在驯化中丢失的基因

  过去十余年，研究团队持续深入我国中西部及喜马拉雅地区，开展野生荞麦资源调查，累计收集喜马拉雅地区野生材料2000余份，基本摸清了我国野生荞麦资源的分布格局。在开展资源保护的同时，团队持续推进优异种质创新利用和新品种选育，培育出广适、高产、稳产的苦荞新品种“中苦3号”。这些长期积累的野生资源和地方种质为破解苦荞的环境适应性与产量形成机制奠定了材料基础。

  为了更全面地发掘这些资源中蕴藏的优异变异，团队以“中苦3号”在内的16份代表性材料为基础构建了苦荞泛基因组，并汇集来自15个国家和地区的994份种质资源，绘制高分辨率变异图谱，使过去容易被忽略的野生种质特异基因和结构变异得以重新进入研究视野。

  顺着这张图，团队定位到一个关键基因——FtRNH。它在所有栽培苦荞中都已缺失，只存在于野生苦荞中。

  这解释了前面的两难。在高海拔的强紫外线和低温下，苦荞细胞内容易堆积一种由DNA与RNA缠绕形成的杂合结构，叫R环。R环若不能被及时清除，会持续造成DNA损伤，影响基因组稳定。FtRNH编码的核糖核酸酶H能清除这些异常积累的R环，减轻胁迫带来的损伤，让苦荞在高原站住脚。其实R环在普通植物细胞里也会出现，但在高原强胁迫下产生得更快、积累得更多，缺少FtRNH的栽培苦荞就更容易受损——这正是它回到高原后“水土不服”的直接原因。换句话说，人们在驯化苦荞、选出大粒品种的过程中，把这个抗逆基因一起弄丢了。

  把两个优点合到一起

  解决了“能不能活”还不够，还要解决“能不能多结”。团队接着找到调控籽粒大小的FtPLATZ基因座：其启动子里一段28碱基对的插入，能提高基因表达、促进胚乳细胞分裂，使籽粒变大；这个基因的拷贝数越多，增产效果越明显。

  一个基因来自野生种，管的是抗高原；一个来自长期育种选择，管的是大粒高产。过去它们分别待在不同的材料里。研究团队用杂交、回交和分子标记辅助选择，把野生苦荞的FtRNH、地方品种里的大粒FtPLATZ3以及更多FtPLATZ拷贝，聚合到同一遗传背景中。这套组合在高海拔田间试验中，比对照品种每亩能多收约四分之一。

  研究团队从野生荞麦资源调查和种质保存起步，逐步推进新品种选育、关键基因发掘、作用机制解析和田间应用验证，使我国丰富的荞麦种质资源优势进一步转化为科研创新和育种创新优势，为破解作物改良中“环境适应性与产量难以兼得”的难题提供了新思路，也为利用野生种质资源改良其他面临极端环境胁迫的作物提供了重要参考。

  回看开头那个问题，苦荞“回不了高原”，是因为我们当年为了大粒，弄丢了它的高原基因，如今这个基因被找回来了。而在人类驯化作物的漫长过程里，像这样被顺手弄丢的适应能力，恐怕不止苦荞一种。它们，或许还留在山野之间。

    作者：宋雅娟

    科学审核：周美亮（中国农科院作物科学研究所研究员）