中科院遺傳發育所魯非團隊合作在《Nature Plants》期刊上發表研究成果，揭示小麥品質性狀演化歷史并提出設計育種新策略

2026年5月7日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所魯非團隊聯合山東省農業科學院作物研究所曹新有團隊在國際學術期刊Nature Plants發表題為A high-quality bread wheat genome unravels adaptive evolution of wheat end-use quality的研究論文。遺傳發育所魯非研究員、博士生張吉瑾與山東省農業科學院趙振東院士為論文共同通訊作者；山東省農業科學院作物研究所曹新有研究員、遺傳發育所博士生張吉瑾為論文共同第一作者。

研究以中國推廣面積最大的強筋小麥品種“濟麥44”為對象，構建了高質量參考基因組，完整呈現了面筋蛋白基因座的精細結構。同時，該結合485份小麥及其近緣種材料的全基因組變異圖譜，重建了小麥加工品質從馴化、多倍化、歐亞傳播到中國現代育種的適應性進化歷史，系統揭示了強筋小麥品質性狀改良的演化規律。研究表明，小麥品質提升并不只是少數“好基因”的簡單累積，而是由高變異面筋蛋白基因與基因間上位性互作網絡共同塑造的結果。

該研究為理解“小麥為什么能被培育成適合不同食品加工用途的作物”提供了新的演化視角，也為未來優質小麥設計育種提出了更明確的方向：既要重視傳統強筋標記，也要深入挖掘低分子量麥谷蛋白、醇溶蛋白等高變異基因的性狀塑造潛力，并將面筋基因之間的組合效應納入育種設計。鑒于該成果的重要意義，Nature Plants同期發表題為The assembly of an elite bread wheat genome reveals how wheat end-use quality has evolved的研究簡報，對該成果進行了重點推薦。

一張更清晰的“基因地圖”：看見過去難以解析的面筋基因簇

研究團隊選擇兼具高產潛力和優質加工品質的“濟麥44”作為研究對象。濟麥44由山東省農業科學院作物研究所曹新有團隊培育，是我國黃淮麥區大面積推廣的代表性強筋小麥品種，在蛋白含量、面團形成時間、濕面筋含量、面團穩定時間等品質指標上表現突出，同時具有較高產量潛力，適合作為解析優質小麥遺傳基礎的重要材料。

通過整合PacBio HiFi高深度長讀長測序、Hi-C以及轉錄組等多組學數據，研究人員獲得了濟麥44的參考級基因組裝配。該基因組不僅具有較高連續性和準確性，還完整呈現了復雜的面筋蛋白基因座，使研究人員能夠在全基因組尺度上系統識別高分子量麥谷蛋白、低分子量麥谷蛋白以及多類醇溶蛋白基因，并解析這些關鍵基因簇的精細結構。

這張高質量“基因地圖”讓過去難以解析的品質基因區域變得可見、可比較、可利用。哪些基因像“骨架”一樣高度保守，哪些基因像“調節旋鈕”一樣富于變化，哪些基因組合在現代育種中被共同保留，均可在基因組層面得到系統追蹤。

從馴化到現代育種：品質改良留下了清晰的演化軌跡

通過跨小麥屬和山羊草屬的微共線性分析，研究發現，長期以來備受關注的高分子量麥谷蛋白亞基（HMW-GSs）基因在演化過程中高度保守；相比之下，低分子量麥谷蛋白亞基（LMW-GSs）和α-/β-醇溶蛋白基因具有更豐富的拷貝數變化和結構變異。這提示，決定品質適應性演化的關鍵，并不總是最保守、最“經典”的基因，而往往來自更具可塑性的基因家族。

為進一步追蹤這些基因在歷史中的變化，研究團隊構建了包含485份代表性材料的高分辨率基因組變異圖譜（JVMap），涵蓋野生二粒小麥、馴化二粒小麥、山羊草、自由脫粒四倍體小麥、面包小麥地方品種和現代栽培種。基于這一資源，研究揭示了面筋基因在四個關鍵階段的演化軌跡。

早期馴化階段：研究發現，對小麥加工品質相關基因的選擇并非現代育種才出現。早在從野生二粒小麥向馴化二粒小麥演化的階段，LMW-GSs基因就已顯示出選擇信號。結合人類早期制面包歷史，這一結果提示，人類對小麥加工品質的偏好可能在馴化早期就已開始影響小麥基因組。

多倍化階段：面包小麥形成過程中，強筋單倍型頻率明顯上升，尤其是D亞基因組中5個關鍵基因的強筋單倍型頻率平均增加74.06%。這表明D亞基因組的引入和后續選擇，是塑造現代面包小麥加工品質的重要力量。

歐亞傳播階段：隨著面包小麥地方品種從西亞向東西方傳播，品質演化出現了方向相反的趨勢。向歐洲傳播過程中，多數強筋單倍型頻率略有上升；而向東亞傳播過程中，6個受選擇面筋基因的強筋單倍型頻率平均下降近30%。這可能反映了不同地區長期飲食文化對小麥品質的差異化選擇，在基因組中留下了“飲食文化的烙印”。

中國現代育種階段：現代育種中，著名強筋組合“Dx5+Dy10”的優良單倍型頻率在過去50年中穩步提升至25.00%，體現了品質育種的持續推進。但研究同時發現，面筋基因的整體選擇效率自20世紀80年代后快速下降并趨于平臺期，提示育種過程中遺傳多樣性下降和功能標記不足，可能正在限制品質進一步提升。

不止單個好基因：面筋蛋白存在影響品質的 “ 組合密碼 ”

縱觀小麥演化史，結構高度可變的LMW-GSs和α-/β-醇溶蛋白基因一直是人類持續選擇的主要靶點。二者對強筋單倍型頻率變化的貢獻合計超過四分之三，是調控小麥加工品質的重要“旋鈕”。從亞基因組層面看，D亞基因組貢獻了超過一半的強筋單倍型頻率變化，在品質形成過程中發揮關鍵作用。

更重要的是，研究發現小麥品質性狀并非只由單個基因獨立決定。面筋蛋白基因之間存在上位性互作，即一個基因的效應會受到其他基因背景的影響?，F代育種顯著強化了這種互作：在現代栽培種中，研究檢測到79對高度互作的面筋基因對，而在地方品種中僅有15對；現代栽培種的互作強度也顯著高于地方品種。

進一步分析顯示，人類選擇對上位性互作的影響并非簡單線性關系。適度選擇可以增強面筋基因之間的有利組合，使品質獲得快速遺傳增益；但過強選擇可能削弱互作網絡，并降低長期適應潛力。這一結果揭示了品質育種中的重要權衡：既要追求短期改良效率，也要維護足夠的遺傳多樣性和組合空間。

這些發現把小麥品質育種的關注點從“尋找單個優良等位基因”進一步推進到“解析和設計優良基因組合”。對復雜性狀而言，這種從單基因到網絡互作的視角，將有助于解釋為什么某些優良基因在不同遺傳背景中效果不同，也為更精準地預測和改良加工品質提供了新思路。

面向未來：從演化中尋找優質小麥設計育種新策略

基于上述發現，研究團隊提出，未來優質小麥育種應更多從適應性演化歷史中汲取智慧?；虻慕Y構保守性并不必然等同于育種重要性。HMW-GSs作為面筋網絡的關鍵結構組分仍然重要，但高變異的LMW-GSs和醇溶蛋白基因在長期演化中更頻繁地響應人類選擇，值得在基因組設計育種中被重新評估和系統利用。

同時，育種策略也應超越傳統的單標記選擇，進一步關注面筋蛋白基因之間的上位性互作網絡。通過在保持遺傳多樣性的基礎上識別、組合和優化有利互作，有望更高效地創制兼具高產、優質和穩定加工性能的小麥新種質。

這一研究不僅為理解小麥品質形成機制提供了理論框架，也為緩解我國優質小麥供需矛盾、推動小麥加工產業升級提供了重要科學支撐。更廣泛地看，該研究展示了“用演化歷史指導設計育種”的可行路徑，為其他作物復雜性狀的解析與精準改良提供了重要借鑒。

面筋蛋白基因間的上位性互作