浙江大学张国平团队——

君看大麦熟,颗颗是黄金

发布时间:2021-10-29来源:浙大新闻办作者:周伊晨0

大麦,全球第四大禾谷类作物——

由于高含量的粗蛋白和可消化纤维,成为家畜的优质饲料;也由于制作麦芽后,酶活性强,酶系统全面,富含淀粉、糖类、酵素、氨基酸等,一直是全世界啤酒酿造的最主要原料。

在我国,大麦已有5000多年的种植历史。在环境极端的青藏高原,被称为青稞的裸大麦更是藏族人民世代依赖的主要食粮。

然而,即便中华民族与这种古老的作物有着邈远而深邃的渊源,又如何让世界看见并认可青藏高原野生大麦所蕴藏的特异基因的宝贵价值?即便我国的啤酒生产与消费量一直位居世界第一,又如何改变我国优质啤用大麦长期依赖进口的局面?当越来越多的人关注到大麦的营养与保健功能,又如何在全球极端气候加剧的情况下保障大麦产量与品质,从而应对粮食危机?

在浙江大学麦类作物创新中心,张国平教授团队守望麦田二十余年,围绕农作物品质与产量以及耐(抗)逆性等农业生产难题,在大麦基因组与重要功能基因解析、优异麦类种质资源发掘与利用、作物重金属、盐害、干旱等逆境耐性调控机理等研究方向上取得了重要突破,建立了栽培和野生麦类种质资源库,培育了浙大9号和10号等优质高产大麦新品种,并正在研发新型基因编辑与遗传转化技术、培育一系列优质抗逆麦类作物新品种,推动前沿作物科学研究。


金灿灿的麦田 沉甸甸的岁月

在西藏南部温润的雅江流域,成片的青稞在高原的阳光下格外灿烂耀眼。这种高大、健壮、耐寒、耐旱和耐瘠的谷类作物,不仅能广泛适应各种自然环境,而且具有高蛋白、高纤维、高维生素和低脂肪、低糖的营养成分,既能替代高热能的动物性食品,又能补充藏区百姓无法依靠蔬菜和水果获得的维生素、矿物质以及膳食纤维。

研究证明,青稞籽粒中所含的β-葡聚糖是青稞最具开发利用价值的保健功能成分,已经明确β-葡聚糖具有降血脂、降胆固醇和预防心血管疾病等的作用。勤劳的藏民将青稞视作上天对雪域高原的最美馈赠,将其炒后磨成面伴着酥油茶吃,或与豌豆掺和制成糌粑,又或制成香醇的青稞酒,彰显着世代相传的生命智慧。

但是长期以来,国际大麦遗传学界认为中东“肥沃月湾”地区是大麦的起源和进化中心,青稞独特的生态型、遗传的丰富多样性,以及在现代栽培品种育种改良中的价值未能得到国际学界的充分关注。直到上世纪三十年代,瑞典人Aberg从我国四川道孚发现了这一种质并将少量材料带至欧洲,随即引起了大麦遗传学界的广泛关注,引发了有关栽培大麦起源的争论。

为此,张国平团队与全球大麦科学家合作完成了大麦基因组计划,并对我国科学家在上世纪六十年代在青藏高原考察征集到的近200份青藏高原野生大麦进行种质资源精准解析:通过在全基因组范围内比较大麦DNA指纹谱图,发现藏族先民在青藏高原地区独立驯化了大麦,从分子水平上证明了青藏高原野生大麦的独立起源,是现代栽培大麦的主要祖先之一;他们还利用RNA-Seq技术分析了青藏高原野生大麦、中东野生大麦与现代栽培大麦基因组的差异,表明现代栽培大麦的基因组至少有一半来自青藏高原野生大麦材料。

团队研究表明,青藏高原野生大麦具有丰富的遗传多样性,特别是蕴藏着非生物胁迫耐性的优异种质及基因,从中筛选与鉴定到多份具有高抗盐、耐酸铝、耐低温、耐干旱的特异材料。团队利用鉴定的优异野生大麦材料与综合农艺性状优良的栽培品种杂交,通过小孢子培养技术和回交方式,构建了多个DH群体和异源染色体片段渗入系,应用于育种和遗传研究。阶段性成果“大麦遗传多样性与特异种质研究”获得了2017年教育部高等学校自然科学奖一等奖。

如今,古老的作物品种早已逾越单纯的食物范畴,以更加丰富安全的姿态满足人们对于健康食物的需求,并通过技术焕发出新的青春。在全球食物面临危机的当下,我国大麦如何在国内乃至全球农业版图上保有一片净土?在竞争激励的食物经济中,又如何走出高原,用绿色转变生活,建立与世界更广泛的联系?团队继续在基因图谱中探寻着小作物的大奥秘。


守望麦田,让小作物有大作为

近十年来,作为“麦田守望者”的张国平团队一直围绕着啤用大麦品质与非生物胁迫两个主要研究方向开展工作。张国平认为,中国啤用大麦主要依赖进口的主要原因之一是国内啤用大麦品质不佳。为此,团队开展了啤用大麦主要品质的基因型与环境效应的一系列研究:

首先建立了基于美国AACC法的近红外分析仪蛋白质、β-葡聚糖测定方法,为大麦种质评估与筛选提供了一种简易、快速、廉价的分析技术;阐明了我国主要啤用大麦栽培品种的麦芽品质特点及其环境效应,鉴定与筛选到一批籽粒化学组分和麦芽品质性状特异的遗传资源,为啤用大麦生产基地建设和种质资源合理利用提供了重要的理论依据;明确麦芽β-葡聚糖酶活性低是造成国产啤用大麦加工性能差的重要因素,β-淀粉酶活性普遍较低是糖化力弱和麦芽浸出率低的根本原因;鉴定到可以解决蛋白质含量和β-淀粉酶活性对麦芽品质有不良互作效应的醇溶蛋白组分,为啤用大麦品质检测与改良提供了可靠的评估指标与技术途径;阐明了主要气象和栽培因子对麦芽品质性状的影响,为啤用大麦优质栽培提供了理论与技术指导;啤酒混浊严重影响啤酒的品质和货架时间,减少啤用大麦籽粒的混浊蛋白含量,是解决啤酒混浊问题的有效途径,并开发了可用于鉴别混浊蛋白类型的特异分子标记。以上研究结果,获得了浙江省科技进步(自然科学)奖一等奖,为提升我国啤用大麦品质育种、生产水平及其在国际上的学术地位作出了重要贡献。

全球变暖正在严重影响包括大麦在内的农作物生产。干旱发生时,不仅会降低大麦粒重与产量,严重的甚至导致大麦幼苗凋萎枯死而绝收。围绕“大麦耐旱种质及基因鉴定与功能研究”,张国平团队正在不断突破这一瓶颈。

他们收集了来自以色列进化谷温暖潮湿的“欧洲坡”和高温干旱的“非洲坡”中的22份野生大麦材料,研究不同群体响应干旱的遗传机理差异。在长期适应环境的生长中,两个坡上的野生大麦耐旱性已经被天然区分为耐旱与不耐两个群体。

团队发现,非洲坡野生大麦在干旱胁迫下具有更高的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,非洲坡野生大麦在干旱处理下水分利用率显著高于欧洲坡野生大麦。在以上两类野生大麦群体中共鉴定到161个潜在基因可能参与了大麦干旱适应的调控,这些基因可被用于耐旱品种培育,为耐旱品种培育提供了理论指导和基因资源。

团队还利用全球收集的100份大麦核心种质进行土培苗期耐旱试验,鉴定耐旱种质与相关基因,从大麦种质材料中筛选出抗旱的基因型。在长期的研究中,团队先后发现了作物非生物胁迫耐性的生理和分子机制,完成了高产、优质、耐逆基因发掘与新种质创制,阐明了气孔进化、逆行信号通路和钾离子等耐旱新机制,鉴定了多个参与逆境耐性的转录因子和调控基因的分子功能。这些成果也已写进国家自然科学基金会所列的“中国基础前沿研究”系列丛书中。团队近十年发表的有关大麦的学术论文数与引文数在全球名列第二。

宋诗描写有在旱年依旧丰收夏麦的美好场景(嘉熙己亥大旱荒庚子夏麦熟):“戴复古积雨喜新霁,山禽亦好音。白云开旷野,红日照高林。歉岁地惜宝,惠民天用心。君看大麦熟,颗颗是黄金。”古人感慨在旱情下大地却很珍惜种下的每颗种子,老天也用心为人民创造了丰收的年景。而我们知道,没有从天而降的瑞年,唯有一群像张国平这样关注作物的科研人正在为丰收默默倾力守护,以期不负太阳的炽烈情怀,为国家农业生产创造更大的作为。

(周伊晨)