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一万年太久,只争朝夕

异源四倍体野生稻快速从头驯化获得新突破

信息来源:中国科学报  发布时间: 2021-02-07   点击数:保护视力色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)

李家洋(右)与学生在实验室讨论。本报记者王之康摄

一株自生自灭的野生稻成为农民伯伯手中的粮食,需要多久?

“一般来说,可能需要经历7000年到1万年。”中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋告诉《中国科学报》。

该过程也被称为“驯化”,它是人类农业起源和定居的重要标志之一。显然,面对快速增长的世界人口、不断变化的全球环境气候,如此久的驯化时间不可能满足现实需求。

为解决这一难题,中国科学院种子创新研究院/中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队,首次提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略,旨在最终培育出新型多倍体水稻作物,从而大幅提升粮食产量并增加环境变化适应性。相关研究成果2月4日发表于《细胞》。

应对危机 创造新主粮

联合国粮农组织报告指出,到2050年,全球粮食生产应在目前的基础上增加50%才能满足人口增长的需求。与此同时,近年来世界气候变化加剧,全球变暖、极端天气频发都给粮食安全带来了巨大挑战。如何进一步提高作物单产是亟待解决的严峻问题。

水稻是世界最主要的粮食作物之一,为全世界一半以上的人口提供主粮。虽然我国已在水稻育种中取得了卓越成就,但仍然迫切需要新策略来应对未来挑战。

中国科学院遗传与发育生物学研究所副研究员、论文第一作者和共同通讯作者余泓表示,对于植物来说,多倍化是其进化的重要机制。

当前田间的栽培稻由“祖先”二倍体野生稻经过数千年的人工驯化而来,驯化过程在改良其重要农艺性状的同时,也造成了遗传多样性的大量减少、优势基因资源的缺失。

过去研究发现,除了二倍体栽培稻,稻属还有其他25种野生植物,按照基因组特征又可以分成11类,包括6类二倍体基因组和5类四倍体基因组。

其中,CCDD基因组异源四倍体野生稻将CC基因组水稻和DD基因组水稻的两套完整二倍体染色体进行了融合,有天然的杂种优势。此外,还具有生物量大、环境适应能力强等优势。

不过,异源四倍体野生稻同时也具有非驯化特征的缺点,无法作为可被人类利用的作物进行农业生产。“如果我们对异源四倍体野生稻进行‘改造’,让它变成我们理想的作物品种,将驯化时间从成千上万年缩短到几年或十几年,那将是一个创造新主粮作物的壮举。”李家洋说。

基于此,李家洋近年来提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化策略,带领团队从异源四倍体野生稻入手,破解其快速从头驯化的技术瓶颈,探索创制新作物的可行路线。

从头驯化 突破技术难关

李家洋提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化策略“蓝图”一共分为四个阶段。第一阶段,是在全球范围内收集并筛选综合性状最佳的异源四倍体野生稻底盘种质资源。

他们通过与国内外同行合作、整理已有的种质资源,确定了具有最大生物量及最强胁迫抗性的目标材料“CCDD型”,一共收集了28份异源四倍体野生稻资源,并通过对组培再生能力、基因组杂合度及田间综合性状等进行系统考察,筛选出一份高秆野生稻资源作为后续研究的基础,并将其命名为多倍体水稻1号 (简称PPR1)。

研究表明,PPR1的生物量极大,株高可达2.7米,穗长可达48厘米,叶宽可达5厘米,但它也具备典型的未经过驯化特征,如稀穗、粒小(栽培稻的1/3)、芒长(大于4厘米)等。

“要在过去原始野生稻的基础上,对它的基因进行一些精准改造,这是一条全世界都没采用过的全新技术路线,需要突破很多技术难关。”李家洋告诉《中国科学报》。

在第二阶段,研究团队历时近4年时间突破了三大技术瓶颈,建立野生稻快速从头驯化技术体系,包括高质量参考基因组的绘制和基因功能注释、高效遗传转化体系和高效基因组编辑技术体系。

通过该团队的不懈努力,PPR1遗传转化效率可达到80%,转化苗再生效率最高达40%以上。研究人员利用最新的测序技术及基因组组装策略,组装完成了首个异源四倍体水稻参考基因组,该基因组大小为894.6Mb,是栽培稻的两倍左右,共注释出了81000多个高可信度基因,并进一步系统分析了四倍体水稻的基因组特征。

功能基因组的解析为下一步对重要农业性状进行快速驯化打下了坚实基础。第三阶段——品种分子设计与快速驯化,包括重要农艺性状基因注释及基于基因组信息的品种分子设计、重要农艺性状基因的功能验证、多基因编辑和聚合以及田间综合性状评估等。

研究人员还进一步验证了这一设想的可行性,他们注释了栽培稻中10个驯化基因及113个重要农艺性状基因在异源四倍体野生稻中的同源基因,系统分析其同源性,并进一步对PPR1中控制落粒性、芒长、株高、粒长、茎秆粗度及生育期的同源基因进行了基因编辑,成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的各种基因编辑材料。

“这一系列结果最终证明我们提出的新策略是高度可行的。”余泓说。而下一个阶段,就是按照该路线完全实现新型水稻作物的创制,并进行生产应用。

合作共享 共迎新挑战

审稿人认为,本研究对未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略,是该领域的一项重大突破性进展,未来四倍体水稻新作物的成功培育,有望给世界粮食生产带来颠覆性的革命。

在同行们看来,这是一项技术难度大、复杂程度高的系统性工程,为未来其他动植物的快速驯化提供了技术路线参考,有着重要的科学意义。

李家洋长期从事水稻高产优质性状形成的分子机理研究,引领作物高效精准的设计育种,带领中国水稻育种科研走在国际前列,为保障粮食安全作出杰出贡献。而突破性成果频出,离不开李家洋培养的一支优秀团队。

“就该研究而言,我们现在只是做到了第三阶段的一半,接下来,我们会解析更多的基因,直到最后创制一个真正的新的优质品种或超级品种,放到不同区域,甚至不同国家试种。”李家洋坦承,“还有很多难题待破解,也是时候跟科学界共享,与大家一起努力完成这个创举。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.013