中國科學(xué)院院士、中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋團(tuán)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(chǎn)量并增加作物環(huán)境變化適應(yīng)性。該研究為應(yīng)對未來糧食危機(jī)提出了一種新的可行策略，開辟了新的作物育種方向，是該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。在未來，成功培育四倍體水稻新作物有望對世界糧食生產(chǎn)帶來重大影響。
隨著世界人口的快速增長，到2050年前，糧食產(chǎn)量需再增加50%才能夠完全滿足需求，如何進(jìn)一步提高作物單產(chǎn)是亟待解決的問題；近年來，世界氣候變化加劇、全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)給糧食安全帶來了挑戰(zhàn)。水稻是世界上最主要的糧食作物之一，為眾多人口提供主糧。雖然我國在水稻育種中已取得了輝煌的成就，但仍迫切需要新策略以應(yīng)對未來的糧食挑戰(zhàn)。
當(dāng)前的栽培稻從祖先二倍體野生稻經(jīng)過長時間的人工馴化而來，馴化過程在改良重要農(nóng)藝性狀的同時造成了遺傳多樣性的丟失。除二倍體栽培稻之外，稻屬還有25種其他野生植物，按照基因組特征又可分成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、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢，但也具有非馴化特征，無法進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
為解決創(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，并分為“四個階段”：第一階段是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；第二階段是建立野生稻快速從頭馴化技術(shù)體系，其中包括三個核心點，即高質(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、高效基因組編輯技術(shù)體系；第三階段是品種分子設(shè)計與快速馴化，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、重要農(nóng)藝性狀基因的功能驗證、多基因編輯及聚合、田間綜合性狀評估；第四階段是新型水稻作物推廣應(yīng)用。
以上述策略為藍(lán)圖，研究團(tuán)隊與合作者通過對生物量大、脅迫抗性強(qiáng)的CCDD型異源四倍體野生稻資源進(jìn)行篩選，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PolyPloid Rice 1 （PPR1）。研究人員解決了多倍體水稻組培再生與遺傳轉(zhuǎn)化體系、高效精準(zhǔn)的基因組編輯技術(shù)體系、高質(zhì)量四倍體野生稻參考基因組等技術(shù)難題。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步注釋了馴化基因及農(nóng)藝性狀基因，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)行了基因組編輯，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材料。研究結(jié)果證明了該團(tuán)隊提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略具有可行性，對未來創(chuàng)制培育新的作物種類從而保障糧食安全具有重要意義。
2月4日，相關(guān)研究成果以A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice（DOI:10.1016/j.cell.2021.01.013）為題，發(fā)表在《細(xì)胞》上。李家洋研究組副研究員余泓、博士后林濤、高級工程師孟祥兵、博士研究生張靜昆，遺傳發(fā)育所研究員梁承志課題組博士杜會龍為論文的共同第一作者，余泓、梁承志、遺傳發(fā)育所研究員高彩霞、李家洋為論文的共同通訊作者。遺傳發(fā)育所研究員程祝寬、陳明生、田志喜、王永紅、儲成才、左建儒，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授劉向東，廣東省農(nóng)科院水稻研究所研究員范芝蘭，廣西農(nóng)科院水稻研究所研究員梁云濤，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員萬建民，中國水稻研究所研究員錢前，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（植物生理生態(tài)研究所）研究員韓斌，阿卜杜拉國王科技大學(xué)博士Andrea Zuccolo和教授Rod A. Wing參與了該研究。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點研發(fā)計劃及轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ椀闹С帧?/span>
異源四倍體野生稻的快速從頭馴化
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