面包小麦的基因组中共有100000个基因。
 


2011年，科学家们开始对用于制作面包的小麦品种进行基因测序。

面包小麦，是一种由草变成的作物。对小麦的耕种，迎来了人类文明的崛起。如今，这种小麦的基因组，由一个国际协作组织成功测序。
这种小麦的基因组的尺寸和构成不同寻常，让这个由德国、美国、捷克共和国和加拿大科学家组成的团队的测序工作变得很艰难。基因图谱揭示出，这种作为面包原料的作物的进化过程，有着意外的惊喜。
该计划的负责人之一，亥姆霍兹慕尼黑中心的植物基因组和系统生物学团队基因组分析的负责人Klaus Mayer说，“基因的数量，并不与有机体的复杂程度成正比，这通常都很令人吃惊。”
面包小麦的基因组中的基因数量惊人，共包含了约100000个基因（人类的基因组约包含20000个基因）。Mayer称，复杂程度，并非取决于基因的绝对数量，而是取决于基因如何、何时被激活，以及基因和组织之间的相互作用。
小麦庞大的基因组，可以直接追溯到其三个祖先，即三种通过“多倍体化”进行杂交的近亲草类。通过多倍体化，多种过量的基因副本被传给了后代，因此，这种小麦包含了三种草类的基因。该过程在植物中相对较为普遍（动物中则很少见），但是不同寻常的是，某些麦苗经历了不止一次的多倍体化过程。
事情是这样的：植物一般都包含两组DNA，其中，来自父本、母本的各有一组。但是有时候，会出现非常少见的情况：卵子和精子意外地都包含了两组DNA，而非一组。如果它们受精，那么，其产物便有四组DNA，成为一个四倍体。
而对于小麦，这个过程发生在几十万年前。当时，乌拉尔图小麦和斯佩特状山羊草，杂交形成了四倍体——二粒小麦。如今，二粒小麦主要用来制作劲道的意大利面。之后，出人意料的是，二粒小麦又与粗山羊草杂交，产生了六倍体的面包小麦。这种六倍体小麦的谷蛋白，具备产生蓬松、松软的面包团的特性。
面包小麦保留了三组亚基因组，每一组都包含着来自最原始的草类的约35000个基因。而且，面包小麦约八至九成的基因组，是由12000至15000个碱基对构成的重复性长序列组成的。这种重复，让传统的测序方法束手无策。
Mayer说，“单是基因组的尺寸和复杂性，就成了绊脚石，让我们花费了相当长的时间。”
面包小麦的基因组测序工作始于2011年，而水稻和玉米的基因组分别于2002年和2009年被公布于世。
 

进化的“运动场”

 

小麦的基因组测序工作的劳动力密集程度异乎寻常，而结果仍然是一个基因“草图”，因为，每条染色体上的所有基因的顺序已被准确测得，但是，基因的定位和不同基因的序列区域，依然未知。
令Mayer惊讶的是，不像其他多倍体植物，三个亚基因组中，表面看起来执行相同功能的过剩基因，都被保留了下来。除此之外，与其他谷物相比，小麦似乎在单条染色体上存在更多重复的基因。造成这种过剩的原因尚不得而知，不过Mayer提出，多重的重复基因，或许为产生新的故事情节提供了进化的“运动场”。
新的基因组草图，预计将显着减少人们识别并分离有益基因的时间。这些有益基因可以帮助创造出抗热、抗压、防虫、防病的新品种小麦。
以前，分理出面包小麦的单个基因，耗费了约10年时间，但是Mayer期望，小麦基因分离的进程能够像其它植物一样，在发布基因组序列之后，便能加快速度。例如，20世纪90年代晚期，Mayer花了4年时间，才从模式植物鼠耳芥中分离出了某个基因。2000年，鼠耳芥的基因组序列发布之后，这项工作只需要花6到8周就可完成。
 

小麦的系谱

 

Robert Bowden是美国农业部冬小麦遗传研究小组的植物病理学主管专家，他未参与该测序项目。他说他对基因组草图绘制所取得的成果，感到很钦佩。他预计，这项工作对培育新品种、加快研究进程都“极为有利”，因为在某种程度上，基因组测序，可以让他们鉴别并利用更好的标志基因，来挑选他们想要的性状。
Bowden也提到了一则关于基础研究价值的历史轶事。用于基因测序的基因材料都来自于Ernie Sears，他是一名在密苏里州哥伦比亚市工作的美国农业部研究人员。20世纪六七十年代，Sears创造了缺失染色体臂的小麦DNA材料。
Bowden回忆道，“当时，人们都在问，‘他们到底要用那个干什么？’”他说，时至今日，它们的全部功用才显现出来。用这些材料可以分离单个染色体臂，这才使得绘制小麦基因组图谱成为可能。他说，“这是基础研究最终得以出头的一个例子。”
Bowden认为，从进化的角度来看，让小麦的故事特别有趣的是，两个相同物种之间以两种不同的方式，似乎杂交了两次，或者总共至少三次。他说，如果在小麦上可以发生这样的事，那么，“通过杂交来形成物种，可能比我们想象得要更加普遍。”