啤酒科学：揭开大麦的秘密

上个月，科学家宣布大麦研究取得重大突破：他们终于完成了大麦全基因组测序。对此，一些媒体报道称这将以某种方式酿造出更好的啤酒（大麦是啤酒的主要成分之一）。当然，在某种程度上，了解大麦基因组将生产出更好、更多或更便宜的啤酒，特别是如果气候变化如科学家们所料那样减缓，农作物因环境条件不佳而难以种植。但这些媒体报道没有抓住重点：这种关于酿造更好啤酒的夸张说法有点像从 NASA 太阳动力学观测站拿来一些结果，然后说这些数据能让你晒得更黑。这项研究的意义要复杂得多。

背景：大麦与小麦和黑麦等其他驯化谷物同属小麦族。这些作物是最早驯化的农业谷物产品之一——考古证据表明，人类在大约 10,000 年前就驯化了大麦。

国际大麦基因组测序联盟上个月在《自然》杂志上发表了大麦基因组的草图，这是一张部分完整的所有基因图谱。这是一项了不起的成就，花费了数年时间才克服了技术障碍：大麦基因组的大小为 5.1 千兆字节，是人类基因组的 1.3 倍，而且大麦基因组的大部分由重复序列组成，因此很难确定所有这些冗余序列的确切位置。

这项工作的目的是最终改良大麦，使其比现有品种（专门培育的、具有理想特性的特定大麦品种）更能抵抗疾病和不利条件，丰富植物的膳食纤维含量，当然，也可能对大麦粒进行调整，使其更高效或更适合啤酒生产。

但那还远得很。我与德国莱布尼茨植物遗传学和作物研究所的研究员、大麦基因组项目首席研究员之一尼尔斯·施泰因就这篇论文进行了交谈。施泰因强调，他们发表的只是基因组的初稿。他们有物理图谱——所有单个字母的位置——但他们不知道图谱上所有基因的位置。基本上，这就像知道小说中所有字母的位置，但不知道所有这些字母是如何分解成单词的。该联盟的成员确实有一些数据：他们能够将 24,154 个基因的位置映射到物理图谱上，大约是大麦总共可能拥有的基因数量（30,400）的三分之二。

此外，他们还比较了不同大麦品种的基因组。测序的主要基因组 Morex 是一种六棱大麦。我问 Stein，为什么他们认为 Morex 是最好的“基线”，而他们研究的其他所有品种都是两棱大麦。他解释说，美国农业部过去对 Morex 品种进行了大量研究——这是我们最了解的一个品种，因此为进一步的研究奠定了良好的基础。

为什么有志于酿造啤酒的人应该关心这个问题？因为二棱大麦和六棱大麦在麦芽浆中的表现略有不同，这可能会对酿造效率和成品啤酒的特性产生深远影响（我将在以后的专栏中介绍这种复杂现象）。我想，任何想了解品种遗传差异的人都会好奇，单核苷酸变异研究中使用的是哪种大麦。

当联盟科学家比较各种六棱和两棱大麦品种时，他们发现着丝粒附近的染色体区域 1.) 上有许多功能基因，2.) 在品种内和一定程度上在品种间没有表现出很大的差异。结果是只有染色体的末端会频繁重组（交换 DNA 片段）。这将是未来大麦科学家需要克服的一个障碍：如果在育种过程中需要在品种间转移的基因无法相互重组，那么你就无法培育出更好、更抗病的大麦。斯坦确实澄清说，人们可以使用基因改造技术来针对着丝粒附近那些难以获取的基因，他也很快解释说，并不是所有的大麦基因都位于这些区域——有很多特性是传统育种者可以干扰的。

展望未来，斯坦希望更清楚地了解基因在大麦物理图谱和转录组（如蛋白质或调节性 RNA 等基因产物）上的位置，这将有助于科学家更好地了解基因表达是如何被控制的。这反过来又会为植物育种者如何自己控制基因表达提供线索。

斯坦还表示，大麦将成为了解相关作物的绝佳模型基因组，这些作物的基因组更为复杂：例如，小麦是六倍体（每条染色体有六个拷贝，大麦有两个），其基因组高达 17 千兆字节。与大麦一样，小麦是世界上最重要的主食之一，面对气候变化，小麦将像大麦一样面临同样的环境压力——干旱、疾病、害虫、咸水、不合格的土壤。

所以，你可以看出，梳理生物基因组的无数复杂性以及基因组的时间、空间和结构组织是一项艰巨的任务，但这项任务非常重要，无法用一篇 200 字的新闻报道来概括。

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