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李家洋（右）與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室討論。本報(bào)記者王之康攝

■本報(bào)見習(xí)記者 韓揚(yáng)眉

一株自生自滅的野生稻成為農(nóng)民伯伯手中的糧食，需要多久？

“一般來說，可能需要經(jīng)歷7000年到1萬年?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

該過程也被稱為“馴化”，它是人類農(nóng)業(yè)起源和定居的重要標(biāo)志之一。顯然，面對快速增長的世界人口、不斷變化的全球環(huán)境氣候，如此久的馴化時(shí)間不可能滿足現(xiàn)實(shí)需求。

為解決這一難題，中國科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)，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，從而大幅提升糧食產(chǎn)量并增加環(huán)境變化適應(yīng)性。相關(guān)研究成果2月4日發(fā)表于《細(xì)胞》。

應(yīng)對危機(jī) 創(chuàng)造新主糧

聯(lián)合國糧農(nóng)組織報(bào)告指出，到2050年，全球糧食生產(chǎn)應(yīng)在目前的基礎(chǔ)上增加50％才能滿足人口增長的需求。與此同時(shí)，近年來世界氣候變化加劇，全球變暖、極端天氣頻發(fā)都給糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。如何進(jìn)一步提高作物單產(chǎn)是亟待解決的嚴(yán)峻問題。

水稻是世界最主要的糧食作物之一，為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(yīng)對未來挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副研究員、論文第一作者和共同通訊作者余泓表示，對于植物來說，多倍化是其進(jìn)化的重要機(jī)制。

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

過去研究發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行了融合，有天然的雜種優(yōu)勢。此外，還具有生物量大、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢。

不過，異源四倍體野生稻同時(shí)也具有非馴化特征的缺點(diǎn)，無法作為可被人類利用的作物進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。“如果我們對異源四倍體野生稻進(jìn)行‘改造’，讓它變成我們理想的作物品種，將馴化時(shí)間從成千上萬年縮短到幾年或十幾年，那將是一個(gè)創(chuàng)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)從異源四倍體野生稻入手，破解其快速從頭馴化的技術(shù)瓶頸，探索創(chuàng)制新作物的可行路線。

從頭馴化 突破技術(shù)難關(guān)

李家洋提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略“藍(lán)圖”一共分為四個(gè)階段。第一階段，是在全球范圍內(nèi)收集并篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻底盤種質(zhì)資源。

他們通過與國內(nèi)外同行合作、整理已有的種質(zhì)資源，確定了具有最大生物量及最強(qiáng)脅迫抗性的目標(biāo)材料“CCDD型”，一共收集了28份異源四倍體野生稻資源，并通過對組培再生能力、基因組雜合度及田間綜合性狀等進(jìn)行系統(tǒng)考察，篩選出一份高稈野生稻資源作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，并將其命名為多倍體水稻1號 （簡稱PPR1）。

研究表明，PPR1的生物量極大，株高可達(dá)2.7米，穗長可達(dá)48厘米，葉寬可達(dá)5厘米，但它也具備典型的未經(jīng)過馴化特征，如稀穗、粒?。ㄔ耘嗟镜?/3）、芒長（大于4厘米）等。

“要在過去原始野生稻的基礎(chǔ)上，對它的基因進(jìn)行一些精準(zhǔn)改造，這是一條全世界都沒采用過的全新技術(shù)路線，需要突破很多技術(shù)難關(guān)?！崩罴已蟾嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。

在第二階段，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)近4年時(shí)間突破了三大技術(shù)瓶頸，建立野生稻快速從頭馴化技術(shù)體系，包括高質(zhì)量參考基因組的繪制和基因功能注釋、高效遺傳轉(zhuǎn)化體系和高效基因組編輯技術(shù)體系。

通過該團(tuán)隊(duì)的不懈努力，PPR1遺傳轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到80%，轉(zhuǎn)化苗再生效率最高達(dá)40%以上。研究人員利用最新的測序技術(shù)及基因組組裝策略，組裝完成了首個(gè)異源四倍體水稻參考基因組，該基因組大小為894.6Mb，是栽培稻的兩倍左右，共注釋出了81000多個(gè)高可信度基因，并進(jìn)一步系統(tǒng)分析了四倍體水稻的基因組特征。

功能基因組的解析為下一步對重要農(nóng)業(yè)性狀進(jìn)行快速馴化打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。第三階段——品種分子設(shè)計(jì)與快速馴化，包括重要農(nóng)藝性狀基因注釋及基于基因組信息的品種分子設(shè)計(jì)、重要農(nóng)藝性狀基因的功能驗(yàn)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(jìn)一步驗(yàn)證了這一設(shè)想的可行性，他們注釋了栽培稻中10個(gè)馴化基因及113個(gè)重要農(nóng)藝性狀基因在異源四倍體野生稻中的同源基因，系統(tǒng)分析其同源性，并進(jìn)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(jìn)行了基因編輯，成功創(chuàng)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(shí)間不同程度縮短的各種基因編輯材料。

“這一系列結(jié)果最終證明我們提出的新策略是高度可行的?！庇嚆f。而下一個(gè)階段，就是按照該路線完全實(shí)現(xiàn)新型水稻作物的創(chuàng)制，并進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。

合作共享 共迎新挑戰(zhàn)

審稿人認(rèn)為，本研究對未來應(yīng)對糧食危機(jī)提出了一種新的可行策略，是該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破性進(jìn)展，未來四倍體水稻新作物的成功培育，有望給世界糧食生產(chǎn)帶來顛覆性的革命。

在同行們看來，這是一項(xiàng)技術(shù)難度大、復(fù)雜程度高的系統(tǒng)性工程，為未來其他動(dòng)植物的快速馴化提供了技術(shù)路線參考，有著重要的科學(xué)意義。

李家洋長期從事水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理研究，引領(lǐng)作物高效精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)育種，帶領(lǐng)中國水稻育種科研走在國際前列，為保障糧食安全作出杰出貢獻(xiàn)。而突破性成果頻出，離不開李家洋培養(yǎng)的一支優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。

“就該研究而言，我們現(xiàn)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，直到最后創(chuàng)制一個(gè)真正的新的優(yōu)質(zhì)品種或超級品種，放到不同區(qū)域，甚至不同國家試種?！崩罴已筇钩校斑€有很多難題待破解，也是時(shí)候跟科學(xué)界共享，與大家一起努力完成這個(gè)創(chuàng)舉?！?/p>

相關(guān)論文信息：

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