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李家洋（右）與學生在實驗室討論。本報記者王之康攝

■本報見習記者 韓揚眉

一株自生自滅的野生稻成為農民伯伯手中的糧食，需要多久？

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

該過程也被稱為“馴化”，它是人類農業(yè)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(huán)境氣候，如此久的馴化時間不可能滿足現(xiàn)實需求。

為解決這一難題，中國科學院種子創(chuàng)新研究院/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋院士團隊，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，從而大幅提升糧食產量并增加環(huán)境變化適應性。相關研究成果2月4日發(fā)表于《細胞》。

應對危機 創(chuàng)造新主糧

聯(lián)合國糧農組織報告指出，到2050年，全球糧食生產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(fā)都給糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。如何進一步提高作物單產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，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對未來挑戰(zhàn)。

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

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(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)境適應能力強等優(yōu)勢。

不過，異源四倍體野生稻同時也具有非馴化特征的缺點，無法作為可被人類利用的作物進行農業(yè)生產。“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(chuàng)造新主糧作物的壯舉?！崩罴已笳f。

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(chuàng)制新作物的可行路線。

從頭馴化 突破技術難關

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

他們通過與國內外同行合作、整理已有的種質資源，確定了具有最大生物量及最強脅迫抗性的目標材料“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，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?。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上，對它的基因進行一些精準改造，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?！崩罴已蟾嬖V《中國科學報》。

在第二階段，研究團隊歷時近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，該基因組大小為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，并進一步系統(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業(yè)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(tǒng)分析其同源性，并進一步對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(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(xiàn)新型水稻作物的創(chuàng)制，并進行生產應用。

合作共享 共迎新挑戰(zhàn)

審稿人認為，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，有望給世界糧食生產帶來顛覆性的革命。

在同行們看來，這是一項技術難度大、復雜程度高的系統(tǒng)性工程，為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產優(yōu)質性狀形成的分子機理研究，引領作物高效精準的設計育種，帶領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。而突破性成果頻出，離不開李家洋培養(yǎng)的一支優(yōu)秀團隊。

“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)制一個真正的新的優(yōu)質品種或超級品種，放到不同區(qū)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(chuàng)舉?！?/p>

相關論文信息：

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