近日，浙江大学农业与生物技术学院叶楚玉课题组在《Nature Genetics》发表观点综述（Perspective），总结禾谷类小作物组学研究进展，搭建多组学数据库，并就未来如何促进禾谷类小作物的组学研究提出进一步建议。这是该期刊第一次发表来自国内（第一完成单位）的Perspective论文。

三大主粮玉米、小麦和水稻贡献全球人类50%的植物性饮食摄入，作物多样性低，不利于粮食安全和营养需求。生产过程中化肥、农药和水资源的部分不合理使用，也日益对农业生态系统产生负面影响。此外，气候变化导致极端天气事件频发，对农业构成日益严重的威胁。小作物（understudied crop / orphan crop / minor crop / underutilized crop）因其突出的抗逆性和营养多样性，在可持续农业和粮食安全领域具有显著开发潜力。

图1. 禾谷类小作物及其野生近缘种的多组学研究进展

在主粮作物中，多组学相关研究发展态势迅速，数据量大幅攀升。然而，禾谷类小作物的多组学研究却显著滞后。在基因组学研究领域，小作物的基因组发表数量显著偏少，尤其在端粒到端粒的基因组更为稀缺；泛基因组也只在少数几个小作物中有报道；群体基因组学的研究规模小、数量少；系统大规模的转录组、代谢组和蛋白组研究在禾谷类小作物中尚在起步阶段。目前禾谷类小作物组学研究的目的或性状大多聚焦在抗旱、耐热、耐盐等抗逆性方面，且这些研究往往停留在记录基因表达、蛋白质或代谢物的简单变化层面，很少深入探究其背后的作用机制，导致实际应用价值有限；且针对自身驯化机制的研究较少，阻碍了这些小作物的再驯化、改良及推广应用。

禾谷类小作物的功能基因研究仍面临严重制约。经过文献检索显示，这些作物中经过功能验证的基因不足200个。更严峻的是，其中76%的基因是在拟南芥、水稻等异源系统中验证的。除谷子建立了成熟的遗传转化体系外，仅少数开始建立农杆菌转化和CRISPR-Cas系统，但整体仍受限于遗传转化技术瓶颈。此外，大规模表型组与多组学数据的缺失，也阻碍了群体基因组学、基因型-表型关联分析在关键功能基因挖掘方面的应用。尽管谷子、黍子的多组学研究已证明该方法的有效性，但多数禾谷类小作物仍缺乏系统研究数据，限制了其优良性状基因的挖掘与应用。

论文构建了一个禾谷类小作物及其野生近缘种多组学数据的数据库，共纳入了来自15个物种的225个基因组，5674份已发表的RNA-seq数据（提供多组织表达谱），46个大规模的群体变异组（进行了SNP鉴定），181个已验证的功能基因信息等，旨在建立一个开放且可持续的平台，以推动对禾谷类小作物的研究。

图2. 禾谷类小作物多组学数据库

尽管当前禾谷类小作物的多组学研究在广度和深度上显著滞后于主粮作物，但日益普及、低成本的组学技术为小作物的深入研究创造了条件。从两个角度开展小作物研究，一是充分挖掘其突出的抗逆性和营养多样性机理，为主粮作物的改良提供重要思路和遗传资源；二是充分解析这些小作物驯化机制，推动它们自身的再驯化或改良，丰富作物多样性，服务于农业可持续发展。当前，禾谷类小作物研究总体上面临资金资助和产业链的双重困境，需建立更多国际组织等举措加以推动改善，共享种质资源与组学数据，并加强产地育种人才培养，开发高附加值产品等，从而充分释放禾谷类小作物在保障粮食安全、促进农业可持续发展方面的独特价值。

图3. 禾谷类小作物多组学研究展望

在读博士生杨繁婧为论文第一作者，叶楚玉教授为通讯作者。该研究得到浙江省杰出青年基金和国家自然科学基金等项目资助。

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