近日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院葉楚玉課題組在Nature Genetics發(fā)表了題為Toward improving multiomic research in understudied cereals的觀點(diǎn)綜述（Perspective），總結(jié) 禾 谷類小作物組學(xué)研究進(jìn)展，搭建多組學(xué)數(shù)據(jù)庫，并就未來如何促進(jìn) 禾 谷類小作物的組學(xué)研究提出進(jìn)一步建議。

三大主糧玉米、小麥和水稻貢獻(xiàn)全球人類50%的植物性飲食攝入，作物多樣性低，不利于糧食安全和營養(yǎng)需求。生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥和水資源的部分不合理使用，也日益對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件頻發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)構(gòu)成日益嚴(yán)重的威脅。小作物（understudied crop / orphan crop / minor crop / underutilized crop）因其突出的抗逆性和營養(yǎng)多樣性，在可持續(xù)農(nóng)業(yè)和糧食安全領(lǐng)域具有顯著開發(fā)潛力。

圖1. 禾谷類小作物及其野生近緣種的多組學(xué)研究進(jìn)展

在主糧作物中，多組學(xué)相關(guān)研究發(fā)展態(tài)勢(shì)迅速，數(shù)據(jù)量大幅攀升。然而，禾谷類小作物的多組學(xué)研究卻顯著滯后。在基因組學(xué)研究領(lǐng)域，小作物的基因組發(fā)表數(shù)量顯著偏少，尤其在端粒到端粒的基因組更為稀缺；泛基因組也只在少數(shù)幾個(gè)小作物中有報(bào)道；群體基因組學(xué)的研究規(guī)模小、數(shù)量少；系統(tǒng)大規(guī)模的轉(zhuǎn)錄組、 代謝組 和蛋白組研究在禾谷類小作物中尚在起步階段。目前 禾 谷類小作物組學(xué)研究的目的或性狀大多聚焦在抗旱、耐熱、耐鹽等抗逆性方面，且這些研究往往停留在記錄基因表達(dá)、蛋白質(zhì)或代謝物的簡(jiǎn)單變化層面，很少深入探究其背后的作用機(jī)制，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有限； 且針對(duì) 自身馴化機(jī)制的研究較少，阻礙了這些小作物的再馴化、改良及推廣應(yīng)用。

禾 谷類小作物 的功能基因研究仍面臨嚴(yán)重制約。 經(jīng)過 文獻(xiàn)檢索顯示，這些作物中經(jīng)過功能驗(yàn)證的基因不足200個(gè)。更嚴(yán)峻的是，其中76%的基因是在擬南 芥 、 水稻等異 源系統(tǒng)中驗(yàn)證的。除谷子建立了成熟的遺傳轉(zhuǎn)化體系外， 僅少數(shù) 開始建立農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化和CRISPR-Cas系 統(tǒng)，但整體仍受限于遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)瓶頸。此外，大規(guī)模表型組與多組學(xué)數(shù)據(jù)的缺失，也阻礙了群體基因組學(xué) 、 基因型-表型關(guān)聯(lián)分析 在 關(guān)鍵功能基因 挖掘方面的應(yīng)用 。盡管谷子、黍子的多組學(xué)研究已證明該方法的有效性，但多數(shù) 禾 谷類小作物 仍缺乏系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)，限制了其優(yōu)良性狀基因的挖掘與應(yīng)用。

論文構(gòu)建了一個(gè) 禾 谷類小作物及其野生近緣種多組學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，共納入了來自15個(gè)物種的225個(gè)基因組，5674份已發(fā)表的RNA-seq數(shù)據(jù)（提供多組織表達(dá)譜），46個(gè)大規(guī)模的群體變異組（進(jìn)行了SNP鑒定），181個(gè)已驗(yàn)證的功能基因信息等，旨在建立一個(gè)開放且可持續(xù)的平臺(tái)，以 推動(dòng)對(duì)禾谷 類小作物的研究。

圖2. 禾谷類小作物多組學(xué)數(shù)據(jù)庫

盡管當(dāng)前 禾 谷類小作物 的多組學(xué)研究在廣度和深度上顯著滯后于 主糧作物 ，但日益普及 、 低成本 的 組學(xué)技術(shù)為 小作物的深入研究 創(chuàng)造了條件。 從兩個(gè)角度開展小作物研究，一是充分挖 掘其突出的抗逆性和營養(yǎng)多樣性機(jī)理，為主糧作物的改良提供重要思路和遺傳資源；二是充分解析這些小作物馴化機(jī)制，推動(dòng)它們自身的再馴化或改良，豐富作物多樣性，服務(wù)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，禾谷類小作物研究總體上面臨 資金 資助和 產(chǎn)業(yè)鏈的雙重困境 ，需建立更多 國際組織等舉措加以 推動(dòng)改善， 共享種質(zhì)資源與組學(xué)數(shù)據(jù) ，并 加強(qiáng)產(chǎn)地育種人才培養(yǎng) ， 開發(fā)高附加值產(chǎn)品 等，從而 充分釋放 禾 谷類小作物 在保障糧食安全、促進(jìn) 農(nóng)業(yè) 可持續(xù)發(fā)展方面的獨(dú)特價(jià)值。

圖3. 禾谷類小作物多組學(xué)研究展望

在讀博士生楊繁婧為論文第一作者，葉楚玉教授為通訊作者。該研究得到浙江省杰出青年基金和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02245-8