中国农业大学院士坐镇！连续发2篇《Nature》后，联合国内外学者再发植物学顶刊！展望小麦2035

学术 2025-02-03 22:48 北京

2025年1月7日，中国农业大学农学院小麦研究中心联合华中农业大学、英国约翰·英纳斯中心和土耳其梅尔辛大学在Molecular Plant发表了题为Wheat2035: Integrating Pan-omics and Advanced Biotechnology for Future Wheat Design的综述论文。系统总结了小麦多组学与泛组学研究、重要性状遗传基础解析及育种改良等领域的重要研究进展，对小麦分子育种技术的创新和未来研究方向进行了展望，提出了通过整合泛组学数据与前沿生物技术，加速优异性状改良并推动小麦分子设计育种发展的战略构想。

研究背景

小麦(Triticum aestivum L.)是全球种植和消费最广泛的粮食作物之一，因其具有广泛的适应性、卓越的营养价值以及独特的加工特性，在全球农业生产和粮食安全中占据着不可替代的重要地位，也被视为是全球农业生产体系的基石。过去二十年间，全球小麦生产和基础研究取得了显著进步。从2000年至2020年，亚洲和欧洲作为两大小麦主产区，其单产分别增长了32%和25%，达到3.4吨/公顷和4.1吨/公顷。这一成就得益于对小麦遗传学、基因组学和生物学领域的深入研究以及先进生物技术的广泛育种利用。多组学技术的发展极大地推动了小麦重要农艺性状遗传基础的解析；产量、品质、非生物和生物胁迫抗性相关的核心基因与关键位点的挖掘和遗传调控网络的构建，为小麦遗传改良提供了重要的基因资源和理论参考；高效遗传转化体系以及分子标记辅助育种等技术的应用，显著提升了大规模育种群体的鉴定和选择效率，为培育高产、优质、抗病、稳产的小麦新品种奠定了坚实基础。据联合国粮食及农业组织估计，2050年全球小麦的总量需要在现有基础上再增长60%，才能满足未来人们对小麦粮食的需求。为应对人口增长、消费需求升级、气候变化以及可持续农业发展等的挑战，培育能够适应未来气候变化及栽培特点的新型高产、稳产、广适小麦新品种，对于保障全球粮食安全至关重要。本文着眼未来10年小麦育种工作的发展方向，探讨了通过整合泛组学数据与前沿生物技术加速优异性状聚合改良、推动小麦分子设计育种快速发展的战略路径，为未来小麦生产和新品种培育提供参考。

研究内容

1）多组学（multi-omics）向泛组学（pan-omics）的转变推动小麦基础研究发展

在组学方面，介绍了基因组变异、转录表观数据整合以及代谢表型组等多组学数据(multi-omics)整合在解析小麦复杂性状中发挥的重要作用，讨论了从数据到信息再到知识的泛组学(pan-omics)整合发展方向，以推动小麦精准育种和品种改良。未来组学数据将持续快速积累，通过进一步整合与提炼各类变异信息(SNP、CNV、PAV等)、调控关系网络(GRN)和表型关联位点等信息，系统整合为以品种、变异、基因和性状为关键对象的知识层。泛组学有望实现多要素的数字化解析和因果推断，为基因组设计育种等更高层面的应用奠定基础。

图1 小麦研究正在从“多组学”向“泛组学”跃迁

2）重要性状遗传基础解析为小麦分子育种提供基因资源和理论依据

泛组学数据的积累、高效遗传转化体系的建立以及基因组编辑技术的发展，极大推动了小麦重要农艺性状遗传基础的深入解析。文章系统梳理了小麦产量相关性状包括株型、穗粒数和粒重等关键基因及其功能；重点总结了小麦贮藏蛋白、淀粉等品质性状调控的遗传网络，并提出了功能性小麦和生物强化小麦的开发策略；针对干旱、盐胁迫及极端温度等非生物逆境的响应，从根系发育、气孔调控、离子平衡和热激蛋白等层面总结了小麦响应逆境胁迫的分子机制；围绕锈病、白粉病、赤霉病、茎基腐病和麦瘟病等主要小麦病害及抗性的遗传机制，探讨抗病基因在小麦育种中的应用。

图2 小麦高产育种的过去、现在和未来

3）大数据与生物技术的快速发展驱动小麦分子设计育种进程

高产、稳产、优质、抗病是小麦新品种培育的重要目标。未来，小麦育种的重点方向及潜在突破口包括：通过高光效和源库流协同提升产量、优质和高产协同改良、培育能够适应极端气候变化的新型小麦品种，等。为实现上述目标，需要充分挖掘和利用小麦地方品种、野生祖先种及近缘野生种等丰富的种质资源，并结合新一代育种技术，如基因组编辑、表观遗传育种、合成生物学、单倍体加倍技术、快速育种技术及人工智能辅助育种等，实现性状的精准改良和快速聚合，显著提升育种选择效率，推动小麦分子设计育种的快速发展，为小麦重大新品种培育奠定坚实的基础。

中国农业大学农学院小麦研究中心 姚颖垠 教授、郭伟龙 教授、缑金营 教授为本文共同第一作者，孙其信 院士和 倪中福 教授为本文通讯作者。中国农业大学农学院小麦研究中心 胡兆荣 教授、刘杰教授、马骏副教授、宗媛教授、辛明明 教授，华中农业大学陈伟教授、李强教授，中国农业大学农学院小麦研究中心博士后王梓豪、张睿婕，英国约翰英纳斯中心 Cristobal Uauy 教授和土耳其梅尔辛大学 Faheem Shehzad Baloch 教授参与了本文的写作和修改。该工作得到了国家自然科学基金重点项目（32130078）、国家自然科学基金重大项目（31991210）以及拼多多-中国农业大学研究基金（PC2023A01003）的资助。

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