小米是我国北方日常饮食中的重要粮食之一，产出小米的植物叫“谷子”。作为一种古老的作物，谷子是从狗尾巴草驯化而来，但其驯化改良的过程一直成谜。现在，这个谜题终于解开了。

中国农业科学院作物科学研究所刁现民团队经过数十年研究，组装了谷子第一个高质量基因组，绘制了首个狗尾草属变异图谱，系统阐明了谷子起源及驯化改良的过程。相关成果于北京时间8日23时发表在《自然·遗传学》上。谷子的基因密码是如何解开的？这对谷子的未来发展有什么重要意义？


谷子：古老的作物 曾经的主粮

谷子是世界上最古老的驯化作物之一，也是亚洲农耕文明形成的主体作物。谷子在农耕文化中长期占据主粮地位。随着小麦水稻等作物绿色革命的兴起，谷子作为主粮的优势被逐步削弱。时至今日，谷子的籽粒小米依然深受人们喜爱。我国老一辈科学家早在1942年就确定了青狗尾草是谷子的野生祖先。但目前，与其他大作物相比，谷子产量水平仍然很低，主要原因是人们对谷子的育成种群体结构、演化历史等没有清楚的认识。中国农业科学院作物科学研究所研究员刁现民进一步解释，最根本的问题就是要解读出谷子的基因组这部“天书”。

刁现民说：“谷子基因组变异水平仍然不是很清楚，特别是在结构变异上、在图基因组上没有什么信息，因为原来测序深度都很低。资源的表型鉴定，就是记录一些信息，没有可重复，记录信息不完整。在驯化和谷子育种中，究竟哪些基因、哪些区段、哪些位点经过了选择，也不清楚。”


几十年如一日

绘制出首个谷子高质量图基因组

1987年，大学毕业的刁现民便开始搜集谷子的种质资源，逐步进行系统化研究。三十多年间，研究团队收集了1004份栽培谷子和野生谷子，结合已发表的840份材料，共1844份种质资源，利用深度重测序对谷子进化进行了详细的群体遗传分析。在中国农科院作科所所长周文彬的印象中，这个团队在田间和实验室“两点一线”，几十年如一日。

周文彬表示：“我每次去他们实验室，黑压压的一片都在工作。要么在田间，要么在实验室里面，几十年如一日，把谷子这样一个虽然是杂粮作物、小作物，变成了一个大有作为的作物，与他们团队辛勤的努力工作，几十年如一日的拼搏分不开。”

谷子群体遗传特征分析 （中国农业科学院 供图）

最终，团队从头组装了110个谷子和狗尾草高质量基因组，绘制了首个狗尾草属基因组变异图谱，构建了首个杂粮和C4作物高质量图基因组。

刁现民介绍：“经过测序以后，对它进行很清楚地聚类，可以很清楚地看到狗尾草是什么样子，谷子是什么样子。尤其是最清楚地看了谷子可以分成三类，狗尾草分成四类。我们也可以推出来，下来的春谷和夏谷是从C3最早的那一类演化而来的。”

110份代表性材料及泛基因组特征（中国农业科学院 供图）

同时，团队在13个地理环境下对680份资源进行了68个性状的表型调查，形成了226组群体表型数据和表型组数据库；将基因组变异和表型数据关联，发掘出1084个与表型显著关联的重要性状相关位点。

团队成员、中国农科院作科所博士后贺强说：“所有的禾谷类作物，比如水稻、小麦、玉米、高粱，我们是想它的籽粒越来越大、产量越来越高，通过分析，我们获得了其中一个基因叫SiGW3，通过对它的筛选，使谷子的籽粒越来越大。这是其中一个例子，我们发现了大量这样的东西。”


谷子基因“天书”解密

育种进程掀开新篇章

基因组学研究是生物学研究和精准设计育种的基石。用中国科学院院士、中国农科院作科所研究员钱前的话说，此次形成的谷子图基因组数据库，破解了谷子基因“天书”。

钱前说：“他们把谷子基因组这么复杂的‘天书’给破解了，这对谷子的遗传、对禾本科的遗传都是非常有意义的。复杂农艺性状是比较难以揭示它的规律的，但是现在有了‘天书’，有了立体基因组图，我们都可以做了。”

值得一提的是，谷子基因“天书”的解密也为考古提供了有力佐证。刁现民表示，遗传学证据清楚表明谷子的单起源，全世界的谷子都是来自中国。

刁现民介绍：“只有我们国家有1万年以上的谷子，从考古学上，而且考古现在核心点在哪儿，什么年代到哪儿，现在都很清楚。比如最古老的谷子就在门头沟，11500年。太行山的东麓、燕山两侧也很古老，然后扩展到四川。4000年到了高加索，3600年到了匈牙利一带，3200年到了意大利。”

小米和谷穗

首张谷子图基因组的诞生为未来谷子及其他作物育种工作提供了重要的参考和指导，为未来谷子在产量、品质等方面的改进打开了一扇门。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员田志喜认为，有了这一基础，谷子从杂粮变回主粮有了可能性。

田志喜说：“谷子，养育了中华民族，孕育了中华文明，它起到的作用是不可比拟的。谷子从主粮慢慢变为非主粮，也就是咱们常说的杂粮，大家也应该有一个清醒的认识，主粮和杂粮是可以变的。比如玉米以前是引进的，现在也变成了主粮。我个人认为也可以从杂粮、非主粮变回主粮，都是有可能的。当然怎么变回去，需要科学家的努力。”

刁现民表示，近几年，团队在继续追求谷子产量的基础上，将重点攻克品质的提升，提高黄色素、叶酸等功能成分，让我们碗里的小米更好吃、更营养。