位置:首頁 > 新聞動態 > 傳媒掃描  
【中國科學報】一萬年太久,只爭朝夕:異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破

來源: 中国科学报 韩扬眉

   李家洋(右)與學生在實驗室討論。記者王之康攝

 

  一株自生自滅的野生稻成爲農民伯伯手中的糧食,需要多久?

 

  “一般来说,可能需要经历7000年到1万年。”中國科學院院士、中國科學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》。

 

  該過程也被稱爲“馴化”,它是人類農業起源和定居的重要標志之一。顯然,面對快速增長的世界人口、不斷變化的全球環境氣候,如此久的馴化時間不可能滿足現實需求。

 

  为解决这一难题,中國科學院种子创新研究院/中國科學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 

 

  聯合國糧農組織報告指出,到2050年,全球糧食生産應在目前的基礎上增加50%才能滿足人口增長的需求。與此同時,近年來世界氣候變化加劇,全球變暖、極端天氣頻發都給糧食安全帶來了巨大挑戰。如何進一步提高作物單産是亟待解決的嚴峻問題。

 

  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。雖然我國已在水稻育種中取得了卓越成就,但仍然迫切需要新策略來應對未來挑戰。

 

  中國科學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。

 

  當前田間的栽培稻由“祖先”二倍體野生稻經過數千年的人工馴化而來,馴化過程在改良其重要農藝性狀的同時,也造成了遺傳多樣性的大量減少、優勢基因資源的缺失。

 

  過去研究發現,除了二倍體栽培稻,稻屬還有其他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,CCDD基因組異源四倍體野生稻將CC基因組水稻和DD基因組水稻的兩套完整二倍體染色體進行了融合,有天然的雜種優勢。此外,還具有生物量大、環境適應能力強等優勢。

 

  不過,異源四倍體野生稻同時也具有非馴化特征的缺點,無法作爲可被人類利用的作物進行農業生産。“如果我們對異源四倍體野生稻進行‘改造’,讓它變成我們理想的作物品種,將馴化時間從成千上萬年縮短到幾年或十幾年,那將是一個創造新主糧作物的壯舉。”李家洋說。

 

  基于此,李家洋近年來提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略,帶領團隊從異源四倍體野生稻入手,破解其快速從頭馴化的技術瓶頸,探索創制新作物的可行路線。

 

  从头驯化 突破技术难关 

 

  李家洋提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略“藍圖”一共分爲四個階段。第一階段,是在全球範圍內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。

 

  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的生物量極大,株高可達2.7米,穗長可達48厘米,葉寬可達5厘米,但它也具備典型的未經過馴化特征,如稀穗、粒小(栽培稻的1/3)、芒長(大于4厘米)等。

 

  “要在過去原始野生稻的基礎上,對它的基因進行一些精准改造,這是一條全世界都沒采用過的全新技術路線,需要突破很多技術難關。”李家洋告訴《中國科學報》。

 

  在第二階段,研究團隊曆時近4年時間突破了三大技術瓶頸,建立野生稻快速從頭馴化技術體系,包括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。

 

  通過該團隊的不懈努力,PPR1遺傳轉化效率可達到80%,轉化苗再生效率最高達40%以上。研究人員利用最新的測序技術及基因組組裝策略,組裝完成了首個異源四倍體水稻參考基因組,該基因組大小爲894.6Mb,是栽培稻的兩倍左右,共注釋出了81000多個高可信度基因,並進一步系統分析了四倍體水稻的基因組特征。

 

  功能基因組的解析爲下一步對重要農業性狀進行快速馴化打下了堅實基礎。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、多基因編輯和聚合以及田間綜合性狀評估等。

 

  研究人員還進一步驗證了這一設想的可行性,他們注釋了栽培稻中10個馴化基因及113個重要農藝性狀基因在異源四倍體野生稻中的同源基因,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我們提出的新策略是高度可行的。”余泓說。而下一個階段,就是按照該路線完全實現新型水稻作物的創制,並進行生産應用。

 

  合作共享 共迎新挑战 

 

  審稿人認爲,本研究對未來應對糧食危機提出了一種新的可行策略,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,有望給世界糧食生産帶來顛覆性的革命。

 

  在同行們看來,這是一項技術難度大、複雜程度高的系統性工程,爲未來其他動植物的快速馴化提供了技術路線參考,有著重要的科學意義。

 

  李家洋長期從事水稻高産優質性狀形成的分子機理研究,引領作物高效精准的設計育種,帶領中國水稻育種科研走在國際前列,爲保障糧食安全作出傑出貢獻。而突破性成果頻出,離不開李家洋培養的一支優秀團隊。

 

  “就該研究而言,我們現在只是做到了第三階段的一半,接下來,我們會解析更多的基因,直到最後創制一個真正的新的優質品種或超級品種,放到不同區域,甚至不同國家試種。”李家洋坦承,“還有很多難題待破解,也是時候跟科學界共享,與大家一起努力完成這個創舉。”

 

  相關論文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.013

 

  (原载于《中国科学报》 2021-02-04 01版)