在喜马拉雅山野找寻“高原密码”的追荞人
在喜马拉雅山野找寻“高原密码”的追荞人
在喜马拉雅山南麓的尼泊尔村庄里，雪山脚下开满了美丽的荞麦花。雪山上融化的雪水推动石磨，将苦荞和甜荞磨成粉混在一起，做成当地村民世代依赖的主食。这种生活已经静静绵延了几千年。
雪山下种植的绿色的苦荞和正在开花的甜荞。
而在千里之外，日本京都的千年寺庙里，僧人们依然保持着用荞麦面供奉的传统；韩国街头，一碗冰凉的冷面是夏日最受欢迎的食物；中国的西北，老乡们用饸饹床压出一根根美味的荞麦饸饹……
在水稻、小麦和玉米等大宗作物难以稳定生长的高寒高海拔地区，苦荞长期承担着补充口粮、抵御灾荒和丰富膳食的重要作用。
8月11日，国际期刊《细胞》（Cell）发表了一项由中国农业科学院作物科学研究所研究员周美亮团队领衔的成果。历时十余年，他们从喜马拉雅山区的野生苦荞中找回了栽培荞麦在驯化过程中丢失的高原适应性基因，并将其与地方品种中的大粒高产基因精准聚合，创制出兼具高海拔适应性和大粒高产特性的苦荞新种质，在高海拔条件下较对照品种增产约25%。
论文审稿人表示，这是一项令人印象深刻的工作，代表了泛基因组作物改良的真正进步。将野生种质来源的等位基因导入栽培背景，并在多个海拔田间试验点得到验证，具有说服力和实际应用价值。
“人间母为大，粮食荞为王”
2007年，还是研究生的周美亮跟随导师第一次走进四川大凉山。眼前的一幕让他终生难忘：海拔3000多米的高山上，漫山遍野都种着一种他从未见过的籽粒呈三棱形的作物。当地人告诉他，这是苦荞，是他们祖祖辈辈赖以生存的口粮。
论文最后通讯作者周美亮告诉《中国科学报》，在平均海拔超过3500米的喜马拉雅山区，植物每天都要经受强紫外线、低温、缺氧等多重环境胁迫。许多作物难以在这里顺利完成生命周期，野生苦荞却能扎根高原，在海拔4500米以上还能正常开花结实结果。
苦荞籽粒
“我当时就想，这作物咋这么神奇？”周美亮是湖南人，从小在鱼米之乡长大，第一次见到这种能在高寒山区顽强生长的作物，内心被深深震撼了。
更让他着迷的是当地彝族人与苦荞之间那种血脉相连的情感。“人间母为大，粮食荞为王。”这是彝族地区流传的一句古老谚语。女子出嫁，要带着荞麦种子走；离家前要吃一口荞麦糊糊，到了婆家第一口也要吃荞麦；孩子出生，第一口辅食同样是荞麦糊。“生老病死，荞麦贯穿了彝族人的一生。”周美亮说。
从此，荞麦这颗小小的种子，就这样埋进了他的心里。硕士毕业后，他到荷兰莱顿大学攻读博士学位，但心中始终放不下那片高原上的荞麦花。2015年，他毅然回国，继续开展荞麦研究。
彼时，中国的荞麦研究基础薄弱。尽管我国是世界公认的荞麦起源地，荞麦属植物资源最丰富的国家，但此前国内对荞麦资源的收集主要集中在农家种和栽培种上，对野生资源的系统性调查和研究非常少。
2017年，作科所非常重视野生荞麦资源的调查收集、鉴定评价与创新利用并纳入到了国家作物种质库的体系。周美亮就在这时被委以重任，进入作物种质资源中心，担任荞麦基因资源创新研究组组长。
周美亮在喜马拉雅山区野外考察
苦荞与甜荞共同构成栽培荞麦的两大类群。苦荞属于蓼科荞麦属，虽然带有“麦”字，却与小麦、水稻和玉米等禾本科作物不同。其所在的蓼科是一个药用价值极高的植物大科，大黄、虎杖、何首乌等都是蓼科代表性植物。
荞麦中的甜荞还有一个动人的名字——"恋人花"。在彝族方言中，"荞麦"与"思念"发音相同；它细小的粉白花朵两两相依、簇拥生长，宛如恋人并肩。也有说法认为，荞麦雌雄同株，雌雄异花，无法自花授粉，必须要两两配对才能繁衍后代，生命相依，故得此名。
“荞麦也是药食同源的典型代表。”周美亮说，《本草纲目》等古医籍中均记载荞麦能健胃消食、促进消化、增强免疫力。现代科学证明，苦荞籽粒含有膳食纤维、矿质元素以及多种酚类和黄酮类活性成分，尤其富含芦丁、槲皮素等黄酮类物质。随着消费需求增长，苦荞的开发利用已从传统口粮，拓展至苦荞茶、苦荞面、代餐食品和特色发酵产品，并进一步延伸至营养保健及医疗健康相关产品。
周美亮说，目前，以苦荞为重要组成的我国荞麦规模化产业集群产值已达数百亿元，并且在逐年上涨。对荞麦开展全面研究已经摆上日程。
从此，周美亮带着团队踏上了漫长的“追荞”之路。
飞石砸在车前半米，衣服全被吹进金沙江
在四川省凉山州，有一片占地上百亩的荞麦种质资源圃。上千份来自世界各地的荞麦种质在这里生根发芽，开出白色、红色、紫色的花朵。每一株的背后，都有一个惊心动魄的故事。
四川凉山州荞麦种质资源圃
每年9月底到11月初，是周美亮团队在青藏高原地区考察的时候。只有这短短一个月左右的时间，野生荞麦的花、叶、种子同时呈现，是辨认和采集的最佳窗口期。“其它时候它就像一棵杂草，全是绿叶，根本认不出来。”周美亮说。
论文共同通讯作者、中国工程院院士刘旭说，在我国青藏高原东缘及云南、四川和西藏一带，复杂的地形、显著的海拔梯度和多样的气候条件，孕育了丰富的野生荞麦资源和地方种质，被认为是荞麦重要的起源、驯化和多样性中心。
该地区的荞麦经历了长期自然选择和人工选择，蕴藏着耐寒、耐紫外辐射、优质和高产等遗传变异，是苦荞育种不可替代的资源宝库。“要从分散在深山峡谷中的野生资源里找到真正有利用价值的材料，需要长期开展资源考察、收集、鉴定和保存。”刘旭说。
十几年来，他们的足迹遍布喜马拉雅山脉、金沙江流域、雅鲁藏布江流域，累计收集野生荞麦材料2000余份。团队成员翻越高山、深入河谷，将散落在不同生态区域的野生种质带回资源圃，逐份开展繁殖保存和性状鉴定。
团队成员在东达山进行资源考察
最惊险的一次发生在金沙江流域。论文共同第一作者、作科所博士后李伟长期从事野生荞麦资源调查收集工作，每年跟着周美亮去采集荞麦。那一次车辆行驶在悬崖边的临时施工道路上，突然，一块直径超过1米的大石毫无征兆地从山上滚落，砸在车头前方不到半米的位置。“所有人吓了一大跳，如果再往前开一点点，后果不堪设想。”李伟回忆道。这样的飞石险情，他们经历了不下十次。
还有一次，学生们洗完衣服晾在车后部，打开后备箱取工具时，江边一阵狂风袭来，所有人的衣服——包括内衣内裤——全被吹进了金沙江。“就那么几件衣服，看着它们飘走，一点办法都没有。”周美亮苦笑着说。
更让人揪心的是学生们的拼劲。有一次，一名学生在崖壁上发现了一片野生荞麦，二话不说就冲上了倾斜的崖壁。那片荞麦离地面有八九米高，坡度很陡，他抓住一个树根想往上攀，结果树根断了，整个人顺着山坡滑下来，衣服磨破了，身上划出一道道血痕。
“因为每年只有那一个月能采集，错过了就要等一年。看到好东西，谁都舍不得放弃。”周美亮说。
“我们的材料来源非常清晰，每一份材料我们都清清楚楚。”周美亮说。正是这套独一无二的野生荞麦资源库，为后续的研究奠定了不可替代的基础。
在2000多份资源里“大海捞针”
在收集了大量野生资源后，周美亮团队开始思考一个困扰荞麦育种界多年的难题。
对于高原和高寒山区而言，发展苦荞不仅有助于丰富食物来源和改善膳食结构，也能够带动特色农产品加工和地方产业发展。然而，长期以来，高海拔地方品种虽然耐寒、耐强紫外线，却普遍籽粒偏小、产量较低，而低海拔地区培育的大粒高产品种，进入高原后又容易出现结实不良。如何兼顾环境适应性与产量，成为苦荞育种必须突破的关键难题。
苦荞
“我们在野生荞麦里观察到一个很有意思的现象：有一些野生苦荞，既能适应高海拔，还能结出大籽粒。”周美亮说，“这说明‘既能抗逆又能高产’这条路是走得通的。”
但要找到背后的基因密码，谈何容易。
论文共同第一作者、作科所研究员张凯旋介绍，他们首先从2000多份野生材料中筛选出约119份野生苦荞资源，然后从地方资源和育成种筛选875多份资源，汇集成来自15个国家和地区的994份核心种质资源，在此基础上，构建了苦荞的泛基因组图谱，绘制出高分辨率变异图谱。沿着这些遗传变异线索，他们找到了一个关键基因——FtRNH，这个基因在栽培苦荞中完全缺失。
这个基因有什么用？周美亮打了个比方：高海拔地区的强紫外线和低温会诱导植物体内形成一种叫“R环”的结构，就像缠在一起的“死结”，会阻碍基因的正常表达，让细胞就像“中毒”了一样不能正常存活。
而FtRNH编码的核糖核酸酶H，就像“解药”，能够有效清除这些异常的R环，让基因重新正常工作，相当于给细胞“解毒”。“野生荞麦因为有这个基因，所以能在高原上活得很好；栽培荞麦在驯化过程中或在选择压力放松下，把这个基因弄丢了，所以一上高原就受不了。”周美亮说。
几乎与此同时，团队还在栽培荞麦中锁定了调控籽粒大小的基因FtPLATZ，它能促进胚乳细胞分裂和生长，从而增大籽粒。
一个来自野生种质，代表对严酷环境的适应；另一个来自长期育种选择，代表对大粒高产的追求。过去，这两类优异性状分散在不同材料中。周美亮要做的，就是让它们在同一个植株上“重逢”。
但选什么样的野生亲本来做杂交？标准非常苛刻：既要抗逆性强，又要花多、结实率高，还要容易和栽培荞麦杂交。光是筛选合适的亲本，他们就花了将近三年时间。
李伟介绍，他们最终选定了一个表现优异的野生苦荞材料，与栽培品种进行杂交、回交，再通过分子标记辅助选择，将FtRNH优异单倍型和FtPLATZ3大粒单倍型精准聚合到一起。
这项工作常年在云南昭通、四川凉山、西藏林芝、西藏日喀则等多个高海拔实验点同步推进。“我们的学生一年可能有七八个月都在凉山和昭通。”周美亮说。好在苦荞生育期短，只有70来天，一年可以做3到4代。即便如此，从杂交到最终培育出新种质，也花了整整5年时间。
最后，他们创制出兼具高海拔适应性和大粒高产特性的苦荞新种质，在高海拔条件下较对照品种增产约25%，预计五年内就能走向市场。对于高海拔地区的农民来说，这意味着实实在在的增收。