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

中國科學(xué)家最新對世界主糧水稻研究提出并證實一種異源四倍體野生稻馴化的全新策略，將為有效應(yīng)對未來全球糧食危機提供切實可行的“中國方案”。

開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應(yīng)對未來的糧食挑戰(zhàn)，如何進(jìn)一步提高作物單產(chǎn)則是亟待解決的嚴(yán)峻問題。

基于此，中國科學(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)隊與合作者在全球首次研究提出并證實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)量并增加作物環(huán)境變化適應(yīng)性。

這項最新研究為未來糧食危機應(yīng)對提出一種新的可行策略，開辟出全新的作物育種方向，未來四倍體水稻新作物的成功培育，將有望對世界糧食生產(chǎn)帶來顛覆性的革命。

中國科學(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，北京時間2月4日在國際知名學(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期致力于水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成分子機理研究，引領(lǐng)作物高效精準(zhǔn)的設(shè)計育種。他介紹說，當(dāng)前的栽培稻是從祖先二倍體野生稻經(jīng)過數(shù)千年的人工馴化而來，馴化過程在改良重要農(nóng)藝性狀的同時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、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)勢，但同時也具有非馴化特征，無法進(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)隊首次提出異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，并分四個階段研究推進(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種質(zhì)資源;第二階段，建立野生稻快速從頭馴化技術(shù)體系;第三階段，品種分子設(shè)計與快速馴化;第四階段，新型水稻作物推廣應(yīng)用。目前，研究團(tuán)隊已完成前兩個階段的科研攻關(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從頭馴化的策略為藍(lán)圖，李家洋團(tuán)隊與合作者首先確定具有最大生物量及最強脅迫抗性的目標(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”(Poly Ploid Rice 1，簡稱PPR1)。PPR1的生物量極大，株高、穗長、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、芒長等典型未經(jīng)過馴化的特征。

進(jìn)入第二階段，研究團(tuán)隊通過持續(xù)攻關(guān)，先后突破異源四倍體野生稻快速從頭馴化三大技術(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)的首個異源四倍體水稻參考基因組，共注釋出81421個高可信度基因，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)隊又進(jìn)一步測試在二倍體栽培稻中積累的功能基因知識能否用于異源四倍體野生稻的快速馴化，他們在異源四倍體基因組中，注釋了栽培稻中10個馴化基因及113個重要農(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)行基因編輯，最終成功創(chuàng)制出落粒性降低、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，中國科學(xué)家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(chuàng)制培育新的作物種類具有重大意義。后續(xù)，研究團(tuán)隊將在這一階段性科研成果基礎(chǔ)上，推動實現(xiàn)PPR1品種分子設(shè)計與快速馴化、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)對未來全球糧食危機。(記者 孫自法)

關(guān)鍵詞： 野生稻馴化