中國(guó)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(duì)首次提出了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。該研究為應(yīng)對(duì)未來(lái)糧食危機(jī)提出了一種新的可行策略，開(kāi)辟了新的作物育種方向，是該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。在未來(lái)，成功培育四倍體水稻新作物有望對(duì)世界糧食生產(chǎn)帶來(lái)重大影響。
隨著世界人口的快速增長(zhǎng)，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(wèn)題；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)給糧食安全帶來(lái)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(guó)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(duì)未來(lái)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的人工馴化而來(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(lèi)，包括6類(lèi)二倍體基因組和5類(lèi)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(shì)，但也具有非馴化特征，無(wú)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(duì)首次提出異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化的新策略，并分為“四個(gè)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(pán)種質(zhì)資源；第二階段是建立野生稻快速?gòu)念^馴化技術(shù)體系，其中包括三個(gè)核心點(diǎn)，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(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、多基因編輯及聚合、田間綜合性狀評(píng)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(duì)與合作者通過(guò)對(duì)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(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)行了基因組編輯，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材料。研究結(jié)果證明了該團(tuán)隊(duì)提出的異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化策略具有可行性，對(duì)未來(lái)創(chuàng)制培育新的作物種類(lèi)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(jí)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(huì)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(chǔ)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員萬(wàn)建民，中國(guó)水稻研究所研究員錢(qián)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)的支持。
異源四倍體野生稻的快速?gòu)念^馴化
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