一项长达十年的合作研究发现了现代小麦品种中尚未开发的巨大遗传潜力。
发表在《自然》杂志上的国际研究表明，历史上的小麦收藏中至少 60% 的遗传多样性尚未被利用，这为改良现代小麦和可持续地养活不断增长的全球人口提供了前所未有的机会。
为了取得这一发现，约翰英纳斯中心的西蒙·格里菲斯博士和中国农业科学院深圳农业基因组研究所的程世峰教授领导了一项跨机构合作，研究了AE 沃特金斯地方品种收藏，这是一个历史悠久的地方小麦品种收藏，这些品种在世界各地已不再种植，并将其与现代小麦进行了比较。
这项成果是联盟共同努力的结果，程教授表示：“我们建立了一个完全开放的合作互补联盟，通过沃特金斯全球小麦基因组学和育种门户网站 向公众提供种质、基因组和表型数据集资源。我们的努力促进和加速了许多现有的基础研究和育种实践项目。”
成功的关键因素之一是深入的表型分析，涵盖了英国的实验站(三个地点)和从中国北部到南部的田间评估(五个地点)。这项研究总共调查了 137 种性状。这项工作特别得到了 Rothamsted Research 的支持，该研究所作为表型分析中心，增加了对小麦品质和特征的了解，将小麦与基因序列联系起来。
研究团队绘制了小麦基因组变异图谱，即单倍型-表型关联图谱。地方品种-栽培品种的比较表明，现代小麦品种仅利用了沃特金斯收藏中发现的 40% 的遗传多样性。
约翰·英纳斯中心的研究组组长、论文作者之一格里菲斯博士表示，剩余的多样性代表着改良现代小麦的巨大潜力，“这项研究发现的缺失的 60% 中充满了有益基因，这些基因是我们可持续养活人类所需的。在过去的一万年里，我们倾向于选择那些能增加产量和提高抗病性的性状。”
“我们发现沃特金斯地方品种中充满了现代小麦所没有的有用变异，因此必须将其应用于现代育种。令人兴奋的是，利用过去十年开发的数据和工具，基因和特性已经被发现。”
AE 沃特金斯地方品种面包小麦收藏(沃特金斯收藏)于 20 世纪 20 年代和 30 年代从 32 个国家收集而来，是世界上最全面的历史小麦收藏。
该藏品提供了现代系统性植物育种出现之前栽培小麦多样性的快照，并展示了遗传变异如何在世界各地以群体或祖先群体的形式分散。“我们可以追溯 20 世纪‘绿色革命’后现代小麦中失去的新颖、功能性和有益多样性，并有机会将它们重新添加到育种计划中的精英品种中”，程教授说。
深圳农业基因组研究所的研究人员完成了基因组学和生物信息学分析，使该联盟能够了解现代小麦的来源。他们发现，全球范围内的小麦品种起源于中欧和西欧，而沃特金斯收藏的七个祖先群体中只有两个被用于现代植物育种。
通过三种互补的关联遗传学方法(QTL作图、GWAS和NAM GWAS)，该团队发现了数百种沃特金斯独有的单倍型，这些单倍型可以赋予现代小麦的优良性状，从而让育种者知道在他们的育种计划中哪些品种携带哪些有用的基因座或等位基因。
在这一尚未开发的多样性中已经发现的关键特性包括氮利用效率、抗蛞蝓能力以及对病虫害的抵御能力。
格里菲斯博士补充道：“有些基因可以帮助植物育种者提高小麦的氮利用效率，如果我们能够将这些基因植入农民可以种植的现代品种中，他们就需要减少肥料施用量，从而节省资金并减少排放。”
农业使用化肥成本高昂，而且会产生温室气体排放，减少化肥使用量有助于农业实现净零排放。提高作物氮素利用效率、减少农业氮足迹是当前全球面临的一大挑战，尤其是对中国这样的国家而言。
为了实现这一前所未有的研究壮举，该团队开发了一组由 119 个地方品种组成的核心品种，这些品种代表了沃特金斯收藏中遗传变异的广度。然后，将这组多样性品种与现代小麦进行杂交和回交，形成了 12,000 个小麦品系的收藏，这些小麦品系目前存放在约翰·英纳斯中心的种质资源部。
这意味着，这些消失的特性一百年来首次被融入现代小麦，而且相关数据和工具已经被用来改良作物。
这项研究通过将基因组学与表型组学和育种实践联系起来，为小麦育种前全基因组设计建立了一个框架。“我们实施了一种育种前策略来解码、发现、设计和实现育种进展”，格里菲斯博士说。“事实上，基因组学革命正在引领遗传革命和育种革命”，程世峰说。这项研究确实是一项长期的合作努力，如果没有国际合作和长期资助，就不可能完成。
该团队与英国商业植物育种专家合作，创建了免费提供的育种工具包，这是一套在线资源，是开源的，全球任何人都可以使用。该工具包为研究和育种界提供了一套综合工具，使其他人能够获取和使用新的有益多样性，以在现在和将来提供可持续、有弹性的小麦。这些种质、本研究开发的资源和工具包仍在中国各个实验站进一步研究。我们可以预期，这些努力将为中国小麦遗传改良和育种做出重大贡献。
论文《利用地方品种多样性促进小麦育种》在《自然》杂志发表