在20世纪20年代和30年代，一位名叫Arthur Ernest Watkins的英国植物学家从全球32个国家收集了1000多个品种的食用小麦。
在一项最新研究中，科学家们提出，他历经一个多世纪精心保存的种子库可能掌握着增强现代小麦农业和养活日益增长的世界人口的关键。他们的研究成果于2024年6月发表在《自然》杂志上。
绿色革命
第一次世界大战后，Watkin从法国返回，当时他在那里担任助理农业干事。他和同事们预测，植物育种领域的科学进步将极大地减少作物多样性。因此，他被委任保护来自世界各地的陆地品种——当地小麦品种。迄今为止，他收集的小麦集合是世界上最全面的历史小麦收藏。
今天，Watkins一个世纪前的预测在很大程度上已经实现。“绿色革命”在20世纪带来了粮食产量的急剧增加，这得益于高产品种的开发，尤其是小麦和水稻。但产量并非现代育种技术带来的唯一变化。
“过去100年里，小麦产量有所提高，但我们的现代小麦品种相当脆弱，遗传多样性急剧减少和同质化，”该研究的主要作者之一、中国农业科学院深圳农业基因组研究所植物基因组中心主任程时峰说。
程时峰补充道：“我们失去了蛋白质、营养成分，以及许多优良性状。在不断变化的全球气候面前，这是一个确保粮食安全的大问题。”
现代农业中小麦多样性的重要性
现代小麦主要起源于中欧和西欧，仅源自两个祖先群体——考虑到Watkins的收藏本身就代表了七个祖先群体，这数量非常少。多样性不足的问题在于，它会使作物更容易受到几乎所有方面的影响。
程时峰解释说：“如果出现某种不可预测的害虫、疾病或气候变化现象，我们许多的小麦品种将在生长年限内被淘汰。我们需要回归历史，回归失去的多样性。”
为此，由中国和英国科学家组成的国际团队转向Watkins的收藏，以重新发现历史小麦的多样性。程时峰补充道：“多样性创造了复杂性，从而带来了鲁棒性和创新性。”
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构建基因组变异图谱
维护这个小麦收藏是一项艰巨的工作：种子至少需要每5年播种、生长和重新收集一次。在Watkins从欧洲、亚洲和北非国家收集的1000个陆地品种中，有827个得以保存，并被用于这项始于12年前的研究。
科学家们 painstaking 地分析了这些小麦，其基因组比人类基因组大五倍，并发现Watkins的小麦收藏比现代品种拥有多67%的遗传多样性。
程时峰解释说：“Watkins的小麦是100年前收集的，但每个小麦品种都已种植并养活了人类数百年甚至数千年。它们很好地适应了当地环境，能够承受严酷的环境条件，并保留了丰富但未被充分利用的多样性来源。”
该团队对陆地品种的137个特征进行了表征并将其投影到一个基因组变异图谱中——程时峰称之为“基因词典”，它可以帮助小麦育种者将古老的有用遗传多样性重新引入现代小麦品种。科学家们识别出的一些丢失性状包括更高的氮利用效率、抗蛞蝓能力以及对病虫害的抵抗力。
程时峰说：“如果我们有丰富多样性，当一种新疾病出现时，也许会有某个品种恰好能抵抗这种疾病。这就是我们需要的生态系统。我们需要多样性，以便能够应对不可预测的事件。”
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小麦多样性能否对抗世界饥饿？
遗传多样性可以使小麦更加健壮，并提高世界小麦产量从疾病、害虫、细菌和气候变化事件中恢复的可能性。
科学家们已经将Watkins收藏中的119个品种与现代小麦进行了杂交，培育出12,000个新品种，目前这些品种保存在约翰·英尼斯中心的种质资源单元，并已引入中国进行进一步实验。然而，程时峰表示，在这些研究成果和现代育种家之间仍然存在差距。
程时峰解释说：“我们测试了遗传和表型效应。但农民不一定关心。他们可能会问：‘你的工作如何帮助我？’要产生实际影响，我们需要建立科学家与农民之间的联系，建立基础研究与应用育种之间的联系，以便将我们的研究成果传递给农民。”
为此，该团队创建了一个免费的学术和育种工具包，以帮助育种家将他们的研究成果付诸实践，但程时峰认为仍有很长的路要走。由于他们的研究涉及大量需要处理的数据，他希望人工智能能够支持未来的努力。
最终，Watkins的收藏为培育和采用更健壮的小麦，以更可持续的方式养活世界不断增长的人口提供了一线希望。
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Nature. 利用陆地品种多样性赋能小麦育种
中国农业科学院深圳农业基因组研究所植物基因组中心主任。程时峰
Watkins & Worldwide Wheat G2B. 面向未来气候适应性小麦、可持续农业和食品
Designing Future Wheat Resources. 交付可持续小麦：育种家多样性工具包
