我国科学家牵头全球苦荞研究驶入“快车道” 一月开花,两月结果,三月收获。长期以来,在我国西南彝区、边疆藏区和高海拔冷凉山区,苦荞是当地人的主要粮食。 时至今日,苦荞作为重要的药食同源和健康养生作物,正受到都市人的青睐。 1"/>

我国科学家牵头全球苦荞研究驶入“快车道”—新闻—科学网

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; line-height: 30px"> 我国科学家牵头全球苦荞研究驶入“快车道”

“一月开花,两月结果,三月收获。”长期以来,在我国西南彝区、边疆藏区和高海拔冷凉山区,苦荞是当地人的主要粮食。

时至今日,苦荞作为重要的药食同源和健康养生作物,正受到都市人的青睐。

1月12日,《基因组生物学》(Genome Biology)在线发表了中外科学家联合构建的苦荞基因组变异图谱。他们从分子水平上明确了我国西南地区作为全世界苦荞多样性中心和栽培起源驯化中心的独特地位。这为研究苦荞驯化和性状改良奠定了重要的理论基础。

苦荞多样性中心和起源驯化中心

苦荞属于蓼科荞麦属,是一种起源于我国、广泛栽培于北半球的健康养生作物。

它生长快速、生育期短,适应性强,能耐瘠薄土地。由于富含芦丁、槲皮素、大黄素、荞麦糖醇等众多生物活性物质,有较高的可溶性膳食纤维、维生素和矿物质元素含量,苦荞能缓解多种人体亚健康症状,对高血压、糖尿病、冠心病、癌症等都有特殊的食疗保健作用。

因此,“荞麦可以与其他主要粮食作物形成很强的互补,是重要的药食同源作物”。论文通讯作者、中国农业科学院作物科学研究所(以下简称作科所)研究员周美亮介绍,近年来,随着“健康中国战略”的实施和国民生活水平的不断提高,荞麦及其制品因其具有独特的营养价值和医疗保健功能而深受消费者青睐,在助力乡村振兴、巩固脱贫攻坚成果和满足人民对营养健康新需求中发挥越来越大的作用。

荞麦不仅是营养丰富均衡的健康作物,而且可以作为改善土壤肥力的轮作作物,对生产有机小麦和土豆具有重要促进作用。

中国西南部地区凭借其复杂的地理环境和多样的气候类型孕育了尤为丰富的荞麦种质资源,是公认的世界荞麦起源中心和多样性中心。

我国丰富的荞麦种质资源 中国农科院供图

周美亮告诉《中国科学报》,我国拥有荞麦属的全部21个种,含1个变种和2个亚种,其丰富的多样性和代表性令世界瞩目。自20世纪80年代以来,全国收集了约3000余份荞麦种质资源,其中苦荞资源1200余份,居世界第一。

不仅如此,中国栽培荞麦的历史也非常久远,至今已有4000余年。据记载,唐朝初期(公元6世纪),中国苦荞栽培应用已有较大规模,宋代以来荞麦继续发展,至今我国的南北方均广泛栽培。我国的古农书、古医书、古诗词和历代史书都有关于荞麦形态、特性、栽培和利用方面的描述和记载。

这些栽培荞麦经过自然演变、人工培育和传播后,已走出中国,在全世界范围内广泛分布,形成了形形色色、多种多样的现代品种。

经过几千年的传播和种植,尼泊尔、不丹、巴基斯坦、印度、阿富汗、缅甸等南亚国家有较长的苦荞种植历史。此外,哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、蒙古、塔吉克斯坦、俄罗斯等国家也有少量苦荞种植。近年来,苦荞还被引进到日本、韩国、欧洲、北美的一些国家种植。

但是,栽培苦荞的起源、驯化中心和传播路线等方面仍长期存在着较大争议。苦荞是如何被人们驯化并走向世界的?它重要性状和品质形成的机理是什么,又是如何进化为现代多种多样品种的?荞麦科学家们不断探索,试图揭示苦荞的古往今来、前世今生。

如今,荞麦在中国栽培面积接近100万公顷,年产量超过120万吨,栽培面积和产量仅次于俄罗斯,位居世界第二。同时,我国是全球最大的苦荞生产国和消费国。

然而,“目前关于苦荞的遗传基础和驯化过程并不清楚,重要性状和品质形成机理研究缺乏,严重制约其性状改良和遗传育种。”周美亮说。

牵头国际大科学计划项目

为解开苦荞的起源、传播和驯化之谜,周美亮带领荞麦研究团队开始了跋山涉水的种质资源采集工作。他们连续多年从我国西南地区搜集野生和农家荞麦资源上千份,在不同生态区和耕作制度条件下筛选优异荞麦种质资源,对优异品质性状形成的遗传机制进行解析并挖掘其应用价值。

同时,欧盟地平线2020生态育种计划(ECOBREED)启动了荞麦项目,并作为该计划的核心研究内容。该计划由斯洛文尼亚和捷克共同发起,联合中国、美国、英国、比利时、意大利、波兰、印度、俄罗斯、韩国和日本等12个国家组织实施。作科所该团队作为中方代表参与该计划,并牵头实施荞麦项目。

该团队联合国内外10余家科研单位,对来自14个国家的涵盖野生种、农家种不同层次的510份苦荞核心资源进行全基因组重测序,挖掘到109万多个单核苷酸多态性(SNP),全面系统的构建了苦荞基因组变异图谱,解析了苦荞种质资源的遗传多样性和群体结构。

周美亮团队主要参与人员 中国农科院供图

论文共同第一作者、作科所副研究员张凯旋告诉《中国科学报》,通过生物学分析,他们将510个种质分为一个野生群体和两个栽培群体。他们从分子水平证明了苦荞起源于泛喜马拉雅地区,然后传播到中国的南方和北方,形成中国南北栽培苦荞的两个独立分支,再由中国北方传播到韩国、中亚、俄罗斯、欧洲以及北美地区,由此明确了我国西南地区作为全世界苦荞多样性中心和栽培苦荞起源驯化中心的独特地位。

苦荞核心资源的群体结构 中国农科院供图

研究人员在两个栽培群体中分别鉴定到与株高、千粒重、果皮颜色、黄酮类物质含量等农艺和品质性状相关的独立驯化区间及重要遗传位点,从而在基因组水平上解开了苦荞的起源、传播和驯化的谜题。

挖掘苦荞功能成分遗传位点

丰富的黄酮化合物赋予了苦荞重要的药用价值。

苦荞作为一类重要的药食两用无麸质假谷作物,是全球农业的重要组成部分。

论文共同第一作者、作科所博士后何铭介绍,作为全世界公认的健康主食,苦荞拥有较高的直链淀粉比例,有助于降低人体餐后血糖升高速度;其丰富的不饱和脂肪酸有助于抑制血液胆固醇含量和动脉血栓形成,从而保护人体的心血管健康;较多的黄酮类物质可有效维持毛细血管抵抗力,有防止血细胞凝集、降血脂、扩张冠状动脉、增强冠状动脉血流量等作用;丰富的荞麦糖醇能调节胰岛素活性,起到降血糖的作用。

不仅如此,苦荞因其对环境的适应力强、生育期短,可作为高海拔冷凉地区的主要粮食作物、大宗粮食作物之间的填闲作物、边疆旱区的抗逆作物和荒年灾年的救灾作物。

该研究通过对苦荞资源进行槲皮素、芦丁和山奈酚等功能成分的黄酮醇含量测定,发掘出一批与三种黄酮醇含量显著相关的遗传位点。

进一步研究发现,FtUFGT3基因与山奈酚含量显著相关,该基因通过编码一个葡萄糖基转移酶,调控苦荞中的山奈酚含量。

另外,他们还发现了调控槲皮素和黄酮含量的关键因子。

“这些关键位点和基因的发现及其调控苦荞黄酮含量分子机理的阐明将极大地推动荞麦的品质改良,加快荞麦的遗传育种进程。”周美亮说。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1186/s13059-020-02217-7

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