近年來(lái)，世界氣候變化加劇，全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)都給糧食安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，如何有效應(yīng)對(duì)全球糧食危機(jī)備受關(guān)注。

中國(guó)科學(xué)家最新對(duì)世界主糧水稻研究提出并證實(shí)一種異源四倍體野生稻馴化的全新策略，將為有效應(yīng)對(duì)未來(lái)全球糧食危機(jī)提供切實(shí)可行的“中國(guó)方案”。

開(kāi)辟全新作物育種方向

水稻是世界最主要的糧食作物之一，為全世界一半以上人口提供主糧。雖然中國(guó)在水稻育種領(lǐng)域已取得輝煌成就，但仍然迫切需要新策略來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)的糧食挑戰(zhàn)，如何進(jìn)一步提高作物單產(chǎn)則是亟待解決的嚴(yán)峻問(wèn)題。

基于此，中國(guó)科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院/遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)與合作者在全球首次研究提出并證實(shí)異源四倍體野生稻快速?gòu)念^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)量并增加作物環(huán)境變化適應(yīng)性。

這項(xiàng)最新研究為未來(lái)糧食危機(jī)應(yīng)對(duì)提出一種新的可行策略，開(kāi)辟出全新的作物育種方向，未來(lái)四倍體水稻新作物的成功培育，將有望對(duì)世界糧食生產(chǎn)帶來(lái)顛覆性的革命。

中國(guó)科學(xué)家在水稻培育領(lǐng)域完成的這一重大突破性進(jìn)展成果論文，北京時(shí)間2月4日在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表。

四階段推進(jìn)四倍體野生稻馴化新策略

論文主要通訊作者李家洋院士長(zhǎng)期致力于水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成分子機(jī)理研究，引領(lǐng)作物高效精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)育種。他介紹說(shuō)，當(dāng)前的栽培稻是從祖先二倍體野生稻經(jīng)過(guò)數(shù)千年的人工馴化而來(lái)，馴化過(guò)程在改良重要農(nóng)藝性狀的同時(shí)造成遺傳多樣性的大量丟失。

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，異源四倍體野生稻具有生物量大、自帶雜種優(yōu)勢(shì)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也具有非馴化特征，無(wú)法進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

為攻克創(chuàng)制多倍體水稻新作物的難題，李家洋團(tuán)隊(duì)首次提出異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化的新策略，并分四個(gè)階段研究推進(jìn)：第一階段，收集并篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻底盤(pán)種質(zhì)資源;第二階段，建立野生稻快速?gòu)念^馴化技術(shù)體系;第三階段，品種分子設(shè)計(jì)與快速馴化;第四階段，新型水稻作物推廣應(yīng)用。目前，研究團(tuán)隊(duì)已完成前兩個(gè)階段的科研攻關(guān)和系列技術(shù)瓶頸突破。

突破四倍體野生稻馴化三大技術(shù)瓶頸

以異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化的策略為藍(lán)圖，李家洋團(tuán)隊(duì)與合作者首先確定具有最大生物量及最強(qiáng)脅迫抗性的目標(biāo)材料，共收集28份異源四倍體野生稻資源，通過(guò)對(duì)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(hào)”(Poly Ploid Rice 1，簡(jiǎn)稱PPR1)。PPR1的生物量極大，株高、穗長(zhǎng)、葉寬分別可達(dá)2.7米、48厘米、5厘米，但它也具備稀穗、粒小、芒長(zhǎng)等典型未經(jīng)過(guò)馴化的特征。

進(jìn)入第二階段，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)持續(xù)攻關(guān)，先后突破異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化三大技術(shù)瓶頸：

一是建立多倍體水稻高效的組培再生與遺傳轉(zhuǎn)化體系，在獲得PPR1具有較好的組培再生能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化體系，最終實(shí)現(xiàn)遺傳轉(zhuǎn)化效率最高80%以上，轉(zhuǎn)化苗再生效率最高40%以上。

二是建立高效精準(zhǔn)的基因組編輯技術(shù)體系，成功實(shí)現(xiàn)基因敲除、單堿基替換兩種基因組編輯類型，并構(gòu)建多基因編輯體系。

三是建立高質(zhì)量四倍體野生稻參考基因組，利用最新的測(cè)序技術(shù)及基因組組裝策略，組裝完成大小為894.6Mb(栽培稻的兩倍左右)的首個(gè)異源四倍體水稻參考基因組，共注釋出81421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。

證明馴化策略高度可行

在篩選確定種質(zhì)PPR1和成功突破第二階段全部技術(shù)瓶頸的基礎(chǔ)上，李家洋團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步測(cè)試在二倍體栽培稻中積累的功能基因知識(shí)能否用于異源四倍體野生稻的快速馴化，他們?cè)诋愒此谋扼w基因組中，注釋了栽培稻中10個(gè)馴化基因及113個(gè)重要農(nóng)藝性狀基因的同源基因，系統(tǒng)分析其同源性，并對(duì)PPR1中控制落粒性、芒長(zhǎng)、株高、粒長(zhǎng)、莖稈粗度及生育期的同源基因進(jìn)行基因編輯，最終成功創(chuàng)制出落粒性降低、芒長(zhǎng)變短、株高降低、粒長(zhǎng)變長(zhǎng)、莖稈變粗、抽穗時(shí)間不同程度縮短的各種基因編輯源四倍體野生稻材料。

李家洋院士表示，這一系列研究結(jié)果證明，中國(guó)科學(xué)家提出的異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化策略高度可行，對(duì)未來(lái)創(chuàng)制培育新的作物種類具有重大意義。后續(xù)，研究團(tuán)隊(duì)將在這一階段性科研成果基礎(chǔ)上，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)PPR1品種分子設(shè)計(jì)與快速馴化、新型水稻作物推廣應(yīng)用，以助力世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增收、應(yīng)對(duì)未來(lái)全球糧食危機(jī)。(記者 孫自法)

關(guān)鍵詞： 野生稻馴化