位置:首頁 > 新聞動態 > 科研進展  
異源四倍體野生稻快速從頭馴化方面取得突破性進展

  近日,中國科學院种子创新研究院/遺傳與發育生物學研究所李家洋團隊首次提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略,旨在最終培育出新型多倍體水稻作物,從而大幅提升糧食産量並增加作物環境變化適應性。本項研究爲未來糧食危機應對提出了一種新的可行策略,開辟了全新的作物育種方向,是該領域的一項重大突破性進展,未來四倍體水稻新作物的成功培育有望對世界糧食生産帶來顛覆性的革命。這一研究成果于24日在國際學術期刊《細胞》發表。 

 

  隨著世界人口的快速增長,至2050年前糧食産量需要再增加50%才能完全滿足需求。如何進一步提高作物單産是亟待解決的嚴峻問題。與此同時,近年來世界氣候變化加劇,全球氣候變暖,極端天氣頻發都爲糧食安全帶來了巨大挑戰。水稻是世界最主要的糧食作物之一,爲全世界一半以上的人口提供主糧。雖然我國在水稻育種中取得了輝煌的成就,但仍然迫切需要新策略來應對未來的糧食挑戰。 

 

  當前的栽培稻是從祖先二倍體野生稻經過數千年的人工馴化而來,馴化過程在改良重要農藝性狀的同時造成了遺傳多樣性的大量丟失。除了二倍體栽培稻,稻屬還有其它25種野生植物,按照基因組特征又可以分成11類,包括6類二倍體基因組和5類四倍體基因組。其中異源四倍體野生稻具有生物量大、自帶雜種優勢、環境適應能力強等優勢,但同時也具有非馴化特征,無法進行農業生産。 

 

  爲攻克創制多倍體水稻新作物的難題,李家洋院士所帶領的研究團隊首次提出異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略,並分爲了四個階段:第一階段,收集並篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻底盤種質資源;第二階段,建立野生稻快速從頭馴化技術體系,其中包括三個核心點,即高質量參考基因組的繪制和基因功能注釋,高效遺傳轉化體系,和高效基因組編輯技術體系;第三階段,品種分子設計與快速馴化,包括重要農藝性狀基因注釋及基于基因組信息的品種分子設計,重要農藝性狀基因的功能驗證,多基因編輯及聚合,及田間綜合性狀評估;第四階段,新型水稻作物推廣應用。 

 

  以這一策略爲藍圖,該團隊與合作者通過對生物量大、脅迫抗性強的CCDD型異源四倍體野生稻資源進行篩選,選出一份高稈野生稻資源,作爲後續研究的基礎,並將其命名爲PolyPloid Rice 1 (PPR1)。隨後該團隊突破了多倍體水稻組培再生與遺傳轉化體系、高效精准的基因組編輯技術體系、高質量四倍體野生稻參考基因組等技術瓶頸。在此基礎上,進一步注釋了馴化基因及農藝性狀基因,系統分析其同源性,並進一步對PPR1中控制落粒性、芒長、株高、粒長、莖稈粗度及生育期的同源基因進行了基因組編輯,成功創制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時間不同程度縮短的各種基因編輯材料。這一系列結果最終證明該團隊提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略高度可行,對未來創制培育新的作物種類從而保障糧食安全具有重要意義。 

 

  202124日,《細胞》雜志以Article形式發表題目爲“A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice”的文章報道了這一成果(DOI:10.1016/j.cell.2021.01.013)。李家洋研究組余泓副研究員、林濤博士後、孟祥兵高級工程師、張靜昆博士研究生,梁承志研究組的杜會龍博士爲該論文的共同第一作者,余泓副研究員、梁承志研究員、高彩霞研究員、李家洋研究員爲共同通訊作者。遺傳發育所程祝寬研究員、陳明生研究員、田志喜研究員、王永紅研究員、儲成才研究員、左建儒研究員,華南農業大學劉向東教授,廣東省農科院水稻研究所範芝蘭研究員,廣西農科院水稻研究所梁雲濤研究員,中國農業科學院作物科學研究所萬建民研究員,中國水稻研究所錢前研究員,中科院植物生理生態研究所韓斌研究員,阿蔔杜拉國王科技大學Andrea ZuccoloRod A. Wing教授参與了本项工作的研究。论文得到国家自然科学基金委,中科院先导专项,国家重点研发计划及转基因专项的资助。 

 

  圖:異源四倍體野生稻的快速從頭馴化