北京2月4日電 (記者 孫自法)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)都給糧食安全帶來(lái)巨大挑戰，如何有效應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(shí)一種異源四倍體野生稻馴化的全新策略，將為有效應對未來(lái)全球糧食危機提供切實(shí)可行的“中國方案”。
開(kāi)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(lái)應對未來(lái)的糧食挑戰，如何進(jìn)一步提高作物單產(chǎn)則是亟待解決的嚴峻問(wèn)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隊與合作者在全球首次研究提出并證實(shí)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)境變化適應性。
這項最新研究為未來(lái)糧食危機應對提出一種新的可行策略，開(kāi)辟出全新的作物育種方向，未來(lái)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(lái)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(shí)間2月4日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《細胞》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(cháng)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)作物高效精準的設計育種。他介紹說(shuō)，當前的栽培稻是從祖先二倍體野生稻經(jīng)過(guò)數千年的人工馴化而來(lái)，馴化過(guò)程在改良重要農藝性狀的同時(shí)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(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、自帶雜種優(yōu)勢、環(huán)境適應能力強等優(yōu)勢，但同時(shí)也具有非馴化特征，無(wú)法進(jìn)行農業(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(gè)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(pán)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，品種分子設計與快速馴化；第四階段，新型水稻作物推廣應用。目前，研究團隊已完成前兩個(gè)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圖，李家洋團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材料，共收集28份異源四倍體野生稻資源，通過(guò)對組培再生能力、基因組雜合度及田間綜合性狀等進(jìn)行系統考察，篩選出一份高稈野生稻資源，作為后續研究的基礎，并將其命名為“多倍體水稻1號”(Poly Ploid Rice 1，簡(jiǎn)稱(chēng)PPR1)。PPR1的生物量極大，株高、穗長(cháng)、葉寬分別可達2.7米、48厘米、5厘米，但它也具備稀穗、粒小、芒長(cháng)等典型未經(jīng)過(guò)馴化的特征。
進(jìn)入第二階段，研究團隊通過(guò)持續攻關(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化體系，在獲得PPR1具有較好的組培再生能力的基礎上，進(jìn)一步優(yōu)化體系，最終實(shí)現遺傳轉化效率最高80%以上，轉化苗再生效率最高40%以上。
二是建立高效精準的基因組編輯技術(shù)體系，成功實(shí)現基因敲除、單堿基替換兩種基因組編輯類(lèi)型，并構建多基因編輯體系。
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(gè)異源四倍體水稻參考基因組，共注釋出81421個(gè)高可信度基因，并進(jìn)一步系統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)瓶頸的基礎上，李家洋團隊又進(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(gè)馴化基因及113個(gè)重要農藝性狀基因的同源基因，系統分析其同源性，并對PPR1中控制落粒性、芒長(cháng)、株高、粒長(cháng)、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(cháng)變短、株高降低、粒長(cháng)變長(cháng)、莖稈變粗、抽穗時(shí)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(lái)創(chuàng )制培育新的作物種類(lèi)具有重大意義。后續，研究團隊將在這一階段性科研成果基礎上，推動(dòng)實(shí)現PPR1品種分子設計與快速馴化、新型水稻作物推廣應用，以助力世界農業(yè)生產(chǎn)增收、應對未來(lái)全球糧食危機。(完) 【編輯:葉攀】
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