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開(kāi)辟水稻育種新途徑

2022-04-18 15:00:00
來(lái)源:人民日?qǐng)?bào)
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  “今年5月,我們的水稻材料就要在北京實(shí)驗(yàn)田里試種了,未來(lái)有望推廣到更多地方!闭f(shuō)起手頭的工作,余泓眼睛里都是喜悅。

  余泓是中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)的一員。他說(shuō)的水稻材料,是該團(tuán)隊(duì)快速?gòu)念^馴化的全新水稻品種。去年初,這一成果發(fā)表在科學(xué)期刊《細(xì)胞》上,被業(yè)界認(rèn)為有望開(kāi)辟一條野生植物馴化新路。

  實(shí)現(xiàn)水稻育種從“0”到“1”的重要突破

  農(nóng)作物的栽培與人工馴化是農(nóng)業(yè)文明起源的重要標(biāo)志。水稻是全球一半左右人口的主糧,往前溯源,它們的祖先都是7000到1萬(wàn)年前的二倍體(含有兩個(gè)染色體組)野生稻,經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)馴化,成為當(dāng)前栽培的水稻。

  過(guò)去,科學(xué)家在二倍體栽培稻的基礎(chǔ)上,培育出了一系列優(yōu)異的水稻品種。然而,除了二倍體栽培稻,稻屬還有其他20多種野生植物,按照基因組特征又可以分成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,CCDD基因組異源四倍體野生稻,是將兩套基因組水稻的完整二倍體染色體進(jìn)行了融合,有天然的雜種優(yōu)勢(shì),還具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

  如何在異源四倍體野生稻基礎(chǔ)上從頭馴化一種全新的水稻?李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),瞄準(zhǔn)這一新領(lǐng)域,希望培育出產(chǎn)量高、環(huán)境適應(yīng)好的新水稻。

  雖然異源四倍體野生稻種質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)明顯,馴化潛力和開(kāi)發(fā)空間大,但它存在一些不足,如種粒小、易脫落、花期短等,這些缺陷使其無(wú)法適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

  受株型、花期、育性等影響,野生稻通過(guò)實(shí)驗(yàn)室馴化、改良也面臨重重困難。經(jīng)過(guò)多年攻關(guān),李家洋團(tuán)隊(duì)提出了異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化策略,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了世界首例重新設(shè)計(jì)與快速馴化的四倍體水稻材料。這被稱(chēng)為水稻育種從“0”到“1”的重要突破。

  具體來(lái)說(shuō),馴化策略分為四個(gè)階段。在第一階段,該團(tuán)隊(duì)與同行合作,收集了28份異源四倍體野生稻資源。通過(guò)深入研究,篩選出一份高稈野生稻資源,并將其命名為多倍體水稻1號(hào)。在第二階段,團(tuán)隊(duì)建立了野生稻快速?gòu)念^馴化技術(shù)體系。在第三階段,進(jìn)行品種分子設(shè)計(jì)與快速馴化;第四階段則是推廣應(yīng)用。

  經(jīng)過(guò)對(duì)多倍體水稻1號(hào)中同源基因進(jìn)行編輯,團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長(zhǎng)變短、株高降低、粒型變長(zhǎng)、莖稈變粗、抽穗時(shí)間縮短的各種基因編輯材料。這項(xiàng)工作證明,從頭馴化四倍體野生稻在策略上是可行的。

  李家洋介紹,團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用5至10年完成示范材料。之后,再用5年左右培育可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高抗高效新水稻作物!皯(yīng)用這一新方法,水稻從頭馴化可能縮短到幾十年甚至幾年。”李家洋表示。

  為野生植物重新馴化提供了解決方案

  經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的馴化,野生植物中一些符合人類(lèi)需求的性狀被保留下來(lái),作物的產(chǎn)量更高了,適用種植范圍更廣了,但這一過(guò)程也造成了遺傳多樣性的大量減少和一些重要基因資源的丟失。

  “營(yíng)養(yǎng)不夠多施肥,生病了靠打藥,久而久之,農(nóng)作物很多基因就丟失了,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力隨之下降!崩罴已蟾嬖V記者,目前農(nóng)作物品種更新很快,一些種質(zhì)資源缺失后就再也找不回來(lái)了。

  與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中多樣化品種小規(guī)模種植不同,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)追求高產(chǎn),品種的單一化、同質(zhì)化種植,在削弱了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性的同時(shí),還易引發(fā)土壤、水污染等問(wèn)題。

  多倍體化是植物最重要的進(jìn)化事件之一。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示,二倍體向多倍體演化過(guò)程引入了新的遺傳信息,這一馴化策略有利于保護(hù)生物多樣性。由于在作物育種上的貢獻(xiàn),“異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化獲得新突破”入選2021年度中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。

  這項(xiàng)研究的價(jià)值不僅在于水稻領(lǐng)域,還對(duì)其他植物的快速馴化提供了技術(shù)路線(xiàn)參考。李家洋說(shuō),實(shí)踐證明異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化策略可行,其重要意義在于,它也為遺傳背景復(fù)雜的野生植物重新馴化提供了范例和解決方案。

  我國(guó)人多地少,吃飯問(wèn)題始終是頭等大事。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示,突破現(xiàn)有作物改良局限和技術(shù)瓶頸,創(chuàng)造符合我國(guó)國(guó)情、農(nóng)情的全新作物,引領(lǐng)種子精準(zhǔn)設(shè)計(jì),對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要的意義。

  據(jù)介紹,無(wú)論小麥、燕麥等糧食作物,還是煙草、棉花等經(jīng)濟(jì)作物,許多重要作物都是異源多倍體,它們大多數(shù)是天然的異源多倍體物種。但人工誘導(dǎo)異源多倍體作物挑戰(zhàn)重重,由于時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)大量的人力物力,許多有價(jià)值的種質(zhì)資源沒(méi)有得到充分利用。李家洋團(tuán)隊(duì)提出的策略,極大壓縮了作物馴化時(shí)間,為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值高、遺傳背景復(fù)雜、馴化潛力大的野生植物的快速馴化提供了思路。

  未來(lái),科學(xué)家們還將做進(jìn)一步的研究,依靠植物基礎(chǔ)科學(xué)研究的重大理論創(chuàng)新和技術(shù)突破,從頭馴化更多新作物。

  突破源于科研人員的長(zhǎng)期堅(jiān)持與深厚積累

  2015年,李家洋團(tuán)隊(duì)全面啟動(dòng)四倍體野生稻研究工作,但相關(guān)準(zhǔn)備工作很早就開(kāi)始醞釀。李家洋團(tuán)隊(duì)一直在探索使用新的遺傳學(xué)育種方法,水稻只是諸多作物中的一種。

  “我們研究的推進(jìn),得益于現(xiàn)代生物技術(shù)的成熟!崩罴已蠼忉屨f(shuō),基因組測(cè)序組裝、基因組編輯、合成生物學(xué)等技術(shù)的發(fā)展,讓之前做不了或者做起來(lái)效率很低的工作變成可能。

  11年前,余泓加入李家洋團(tuán)隊(duì)。除了參與每階段具體科研任務(wù),他還承擔(dān)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)、溝通工作,見(jiàn)證了研究工作從“0”到“1”的每一步。

  “基礎(chǔ)科研從來(lái)不會(huì)保證產(chǎn)出,每一個(gè)階段都可能遇到瓶頸,讓整個(gè)研究走不下去!庇嚆硎,“團(tuán)隊(duì)自始至終都是在壓力下前行!

  在整個(gè)馴化策略階段,李家洋團(tuán)隊(duì)遇到了許多棘手難題。比如,在收集到的四倍體野生稻資源中,到底哪個(gè)最有可能成為底盤(pán)種質(zhì)資源?能不能獲得再生能力好的苗?為此,科研人員做了大量的篩選工作。又如,現(xiàn)有栽培稻遺傳轉(zhuǎn)化方法對(duì)野生稻無(wú)法適用,科研人員為此建立了野生稻高效遺傳轉(zhuǎn)化體系;在基因組的繪制和基因功能注釋上,團(tuán)隊(duì)也做了很細(xì)致的處理……攻克這些難題,耗時(shí)短的也要一年左右。

  項(xiàng)目推進(jìn)的6年多時(shí)間,團(tuán)隊(duì)沒(méi)有就相關(guān)研究成果發(fā)表過(guò)一篇文章。“我們的一些階段進(jìn)展,其實(shí)足夠發(fā)文章。中間沒(méi)有發(fā)表論文是為了完整驗(yàn)證從頭馴化四倍體野生稻的可行性,得出一個(gè)真正有價(jià)值的結(jié)論。事實(shí)證明,我們得到了理想的結(jié)果!庇嚆f(shuō)。

  余泓告訴記者,根據(jù)研究階段的需求,團(tuán)隊(duì)會(huì)吸納不同專(zhuān)長(zhǎng)的科學(xué)家參與進(jìn)來(lái),這項(xiàng)成果是在科研人員的緊密合作、學(xué)科交叉融合基礎(chǔ)上取得的。

  “我們的執(zhí)著得到了回報(bào)!庇嚆f(shuō),參照成熟的路徑去研究,過(guò)程相對(duì)容易,產(chǎn)出也有保障,但很難有原創(chuàng)性。面向未知的探索,才能帶來(lái)較高的回報(bào)。“團(tuán)隊(duì)做出這項(xiàng)突破,源于科研人員的長(zhǎng)期堅(jiān)持與深厚的積累。一些技術(shù)得以突破,背后是十幾年的鉆研。”

  按計(jì)劃,今年9月,在北京試種的野生稻就要收獲。“我們團(tuán)隊(duì)都在期待一個(gè)好結(jié)果。”余泓說(shuō)。

 

[責(zé)任編輯:黃曉迪]
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