一作解读 | Nature Plants | 从田间良种到基因组蓝图：济麦44精准基因组解析揭...

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

近日，山东省农业科学院作物研究所曹新有团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所鲁非团队，在国际学术期刊《自然·植物》（Nature Plants）发表小麦品质适应性演化研究成果。研究以曹新有团队育成的我国代表性优质高产小麦品种“济麦44”为核心材料，成功组装了参考级高精度基因组，完整解析了小麦面筋蛋白基因区域的复杂结构，并系统揭示了关键基因选择和基因间协同互作在塑造小麦加工品质中的重要作用。

该成果把一个在生产上大面积推广的优良品种，进一步转化为认识小麦品质形成机制的“基因组蓝图”。研究不仅回答了“济麦44为什么能够兼具高产与优质”的关键科学问题，也为未来优质专用小麦的精准设计育种提供了新的靶点、新的思路和新的技术依据。

济麦44：生产实践中形成的优质高产代表品种

小麦是我国主要口粮作物。随着居民消费结构升级和人民生活水平的不断提高，对小麦品质提出了更高的要求。然而，在小麦育种实践中， “高产”与“优质”的矛盾是小麦育种领域的核心瓶颈，如何实现二者协同提升，一直是育种科研工作者攻关的重点。“济麦44”是山东省农业科学院作物研究所曹新有团队利用自创中间材料954072与自育品种济南17组配杂交组合，选育的超强筋高产广适小麦新品种，先后通过国家黄淮北片、南片、山东省和安徽省审定，河北省和山西省引种备案，在我国7省大面积推广种植并实现产业化，截止2025年夏收累计推广种植面积达4251万亩，曾连续三年为我国年推广面积第一大强筋小麦品种，入选农业农村部十大农业植物新品种权运用典型范例。连续多年为国家、山东省和山西省小麦的主导品种，作为骨干型品种入选《国家农作物优良品种推广目录》，是我国首批鉴评的“超强筋小麦品种”之一，亩产三次创全国超强筋小麦单产纪录，最高达808.6公斤/亩，较好地实现了高产与优质的协同提升。

正因为兼具生产价值和品质优势，“济麦44”不仅是服务我国优质小麦生产的重要品种，也是解析小麦优质高产协同形成机制的理想材料。对其基因组进行精准解析，有助于把育种实践中获得的优良性状转化为可识别、可追踪、可设计的基因组信息。

精准解析基因组：看清复杂面筋基因区的“底层密码”

小麦加工品质主要由籽粒中的面筋蛋白决定。面筋蛋白赋予面团延展性和弹性，是决定面包体积、面条筋道和多种食品加工特性的核心因素。然而，面筋蛋白编码基因在小麦庞大而复杂的基因组中呈现高度重复、成簇分布和结构多变等特点，长期以来难以被完整、准确解析。这一技术瓶颈制约了小麦品质关键遗传变异的系统发掘，也限制了育种中对优质基因资源的精准利用。

该研究整合PacBio HiFi高深度长读长测序、Hi-C等先进技术，构建了“济麦44”染色体级别的高质量参考基因组。该基因组质量值（QV）达到66.74，具有极高的碱基准确性和连续性，为解析小麦复杂基因区域提供了可靠基础（图1）。依托这一基因组，研究团队完整注释了高分子量谷蛋白、低分子量谷蛋白和醇溶蛋白等面筋蛋白基因，清晰呈现了面筋基因簇的精细结构。

图1. 济麦44基因组的高质量组装与注释

进一步分析发现，“济麦44”携带优良的强筋高分子量谷蛋白组合，并在关键基因TaGlu-hmw-1Dx中具有一个可增加额外半胱氨酸的核苷酸变异。半胱氨酸参与二硫键形成，有助于增强面筋蛋白网络，是提升面团弹性和加工品质的重要因素之一。这一发现从分子层面为“济麦44”的优良面团品质提供了重要解释，也为强筋小麦分子标记开发和精准改良提供了可利用位点。

从一个品种到一段演化史：揭示小麦品质改良的长期选择轨迹

在完成“济麦44”基因组解析的基础上，研究团队进一步整合野生近缘种、传统地方品种和现代栽培种等485份小麦材料的基因组数据，构建高分辨率遗传变异图谱，追溯小麦品质性状在驯化、多倍化、欧亚传播和现代育种过程中的变化轨迹（图2）。

研究表明，面筋蛋白相关基因在小麦演化与育种历史中持续受到人类选择。传统上，高分子量谷蛋白亚基因因其对强筋品质的重要作用而备受关注；但本研究发现，结构更为可变的低分子量谷蛋白和α-/β-醇溶蛋白基因，在小麦品质适应性演化中长期扮演着关键角色，是人类持续选择的重要靶点。

这一发现提示，优质小麦育种不能只盯住少数经典强筋基因，还应系统发掘那些结构多样、变异丰富、调控空间更大的面筋蛋白基因资源。对于育种实践而言，这意味着未来可以从“寻找单个优良基因”进一步拓展到“优化多个品质基因的组合”，从而更精准地调控面筋网络和加工品质。

图2. 面筋蛋白基因在不同演化阶段的选择清扫及单倍型演化动态

从单基因优选到网络设计：为优质小麦育种提供新策略

研究还揭示了现代小麦品质提升中的另一项重要规律：优良品质并非仅由单个基因的效应简单叠加形成，而与多个面筋蛋白基因之间的上位性互作密切相关。所谓上位性互作，是指不同基因之间相互配合、共同影响性状表现的现象。

研究发现，在中国现代栽培小麦品种中，存在79对高度互作的面筋基因对，而在传统地方品种中仅检测到15对。这表明，现代育种在提升小麦加工品质的过程中，不仅积累了优良等位变异，也在无形中强化了面筋基因之间的协同网络（图3）。

这一结果对育种具有重要启示：未来优质小麦改良应从传统的“单基因优选”走向“基因网络设计”，既要重视关键优良等位变异，也要关注不同面筋蛋白基因之间的最佳组合方式。通过解析和利用这类协同互作网络，育种家有望更高效地培育兼具高产、稳产和优质加工品质的小麦新品种。

图3. 面筋蛋白基因间的上位性互作

该研究以生产上大面积应用的优良品种为切入点，把品种选育、基因组解析、演化规律和育种策略有机结合起来，为我国优质小麦自主培育提供了重要科学支撑。未来，基于“济麦44”高质量基因组和面筋基因互作网络，研究团队将进一步开展关键品质基因功能验证、优异单倍型挖掘和分子标记开发，推动小麦品质育种从经验选择向精准设计转变。

山东省农业科学院作物研究所曹新有研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生张吉瑾为论文共同第一作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所的鲁非研究员、博士生张吉瑾与山东省农业科学院的赵振东院士为论文共同通讯作者；中国科学院遗传发育所郭雅菲博士、钮蓓蕊博士、韩方普团队黄宇虹博士，山东省农业科学院作物研究所刘建军研究员、李豪圣研究员、高欣研究员、郭雷博士等对本研究作出了重要贡献。特别致谢河南农业大学王道文教授、中国农业大学李保云教授、中国农业科学院曹双河副研究员对本研究提出的宝贵建议。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者计划、国家现代农业产业技术体系以及中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41477-026-02288-7

注：

济麦44基因组已在小麦族多组学网站（http://wheatomics.sdau.edu.cn）上线。