設(shè)計(jì)水稻不再是夢

北京時(shí)間4月26日凌晨1點(diǎn)，國際頂級期刊《自然》雜志在線長文報(bào)道了“3010份亞洲栽培稻基因組研究”成果。該研究由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所牽頭，聯(lián)合國際水稻研究所、上海交通大學(xué)、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、美國亞利桑那大學(xué)等16家單位共同完成。這是國內(nèi)外水稻研究專家大協(xié)作的重大成果，體現(xiàn)了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)在水稻基因組研究方面居于世界領(lǐng)先位置，擴(kuò)大了我國水稻功能基因組研究國際領(lǐng)先優(yōu)勢

專家介紹，“3010份亞洲栽培稻基因組研究”這一重大科技成果將推動水稻規(guī)模化基因發(fā)掘和水稻復(fù)雜性狀分子改良，提升全球水稻基因組研究和分子育種水平，加快優(yōu)質(zhì)、廣適、綠色、高產(chǎn)水稻新品種培育。為此，經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者采訪了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院有關(guān)負(fù)責(zé)人。

掌握水稻核心種質(zhì)資源

作為我國最重要的糧食作物，水稻的品質(zhì)和產(chǎn)量與人們生活息息相關(guān)。其中，種質(zhì)資源遺傳多樣性的利用對于育種成果影響巨大

水稻是全球最重要的作物之一。在中國，水稻是最重要的糧食作物，國民三分之二的口糧都是水稻。尤其對于南方人來說，不吃米飯就如同沒吃飯一樣。

改革開放以后，我國水稻科學(xué)研究取得了非常重要的進(jìn)展，包括雜交育種、傳統(tǒng)育種方法等領(lǐng)域，都取得了巨大突破。

黎志康研究員(左)在田間指導(dǎo)水稻育種。本報(bào)記者 常 理攝

然而，面對氣候變化、資源短缺等新形勢，還需要不斷適應(yīng)人們對高品質(zhì)、多功能等美好生活的要求。這對水稻育種科學(xué)提出了新的要求——在傳統(tǒng)育種基礎(chǔ)上如何更加高效，做到高質(zhì)、多功能，滿足不同人群的營養(yǎng)健康需要。其中，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成為至關(guān)重要的解決方案和解決手段。

作為此次研究成果的發(fā)起人，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所研究員黎志康表示，無論過去還是未來，育種成果都取決于我們對種質(zhì)資源遺傳多樣性的利用。“全球共計(jì)保留了78萬份水稻種質(zhì)資源，如何在育種上好好利用，一直是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。”黎志康說。

為弄清水稻基因組中隱藏的“秘密”，2011年9月份，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合國際水稻研究所等16家單位共同啟動了“3000份水稻基因組研究計(jì)劃”。這一研究旨在通過測序及分析建立核心種的基因型和重要農(nóng)業(yè)性狀表型數(shù)據(jù)庫，開展全基因組的關(guān)聯(lián)分析，進(jìn)而規(guī)模化發(fā)掘優(yōu)良基因，提高水稻重要農(nóng)業(yè)性狀的分子育種效率，加快高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣適新品種培育進(jìn)程，全面提升我國水稻分子育種水平。

專家介紹，“3010份亞洲栽培稻基因組研究”所采用的3010份水稻材料，經(jīng)過了團(tuán)隊(duì)非常嚴(yán)格和精確的分層取樣。這些取樣來自于中國及南亞、東南亞等89個(gè)國家，集中在水稻多樣性的中心區(qū)域，代表了78萬份水稻種質(zhì)資源約95%的遺傳多樣性。

該研究針對水稻起源、分類和馴化規(guī)律進(jìn)行了深入探討，揭示了亞洲栽培稻的起源和群體基因組變異結(jié)構(gòu)，剖析了水稻核心種質(zhì)資源的基因組遺傳多樣性。

黎志康認(rèn)為，此次研究成果的完成僅僅是一個(gè)開端，隨著深入分析和更多數(shù)據(jù)產(chǎn)生，包含水稻全部優(yōu)良基因多樣性的數(shù)據(jù)庫將更加龐大與精細(xì)，人們可以從中找到與任何性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因，并應(yīng)用到育種實(shí)踐中。這將為開展水稻全基因組分子設(shè)計(jì)育種提供足夠的基因來源和育種親本精確選擇的遺傳信息，為培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗水稻新品種奠定基礎(chǔ)。

探明水稻起源

通過對大量重要進(jìn)化基因的分析，該研究首次提出了秈、粳亞種的獨(dú)立多起源假說，使中國源遠(yuǎn)流長的稻作文化得到正確認(rèn)識和傳承

早在我國2000多年前的漢代，亞洲栽培水稻中“秈”“粳”兩大亞種已被人們所認(rèn)知。然而，秈、粳稻的起源和命名在國際上一直存有爭議。日本學(xué)者加藤茂范于1928年將“秈”“粳”稱為indica和japonica，并一直沿用至今。實(shí)際上，這兩個(gè)名字分別是拉丁語中“印度”和“日本”的意思，這錯(cuò)誤地反映了秈、粳的親緣關(guān)系、地理分布和起源。我國老一輩著名水稻專家丁穎先生把秈稻定名為秈亞種，粳稻定名為粳亞種。

對此，“3010份亞洲栽培稻基因組研究”通過對大量重要進(jìn)化相關(guān)基因的單倍型和泛基因組分析發(fā)現(xiàn)，秈稻攜帶的很多基因不存在于粳稻中，粳稻的很多基因也不存在于秈稻中。此外，不同地理來源的水稻農(nóng)家品種群體都帶有特異的基因家族。根據(jù)這些結(jié)果，該研究首次提出了秈、粳亞種的獨(dú)立多起源假說，并建議恢復(fù)使用秈、粳亞種的正確命名，使中國源遠(yuǎn)流長的稻作文化得到正確認(rèn)識和傳承。

我國小麥基因組學(xué)專家張學(xué)勇研究員評價(jià)認(rèn)為，秈稻和粳稻是中性的名詞，不帶有明顯地域性，這應(yīng)該是全世界搞水稻、搞農(nóng)業(yè)的科學(xué)家都愿意接受的。

此外，這一研究對亞洲栽培稻群體的結(jié)構(gòu)和分化進(jìn)行了更為細(xì)致準(zhǔn)確的描述和劃分，由傳統(tǒng)的5個(gè)群體增加到9個(gè)，分別是東亞(中國)的秈稻、南亞的秈稻、東南亞的秈稻和現(xiàn)代秈稻品種等4個(gè)秈稻群體；東南亞的溫帶粳稻、熱帶粳稻、亞熱帶粳稻等3個(gè)粳稻群體；以及來自印度和孟加拉的Aus和香稻。

為水稻基因貼“標(biāo)簽”

該成果將極大推進(jìn)水稻功能基因組和育種科學(xué)，科學(xué)家據(jù)此可以找到某個(gè)性狀的缺失具體是哪里出現(xiàn)了問題，最終精準(zhǔn)設(shè)計(jì)出水稻新品種

很多年前，世界糧食貢獻(xiàn)獎獲得者、國際水稻研究所原首席科學(xué)家?guī)焓簿吞岢隽恕霸O(shè)計(jì)水稻”的想法。如今，這一夢想正在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

“我國近年來下大力氣開展基因組測序和功能基因組研究等工作，取得了很多專利，但是這些專利還沒辦法運(yùn)用到育種上。”黎志康說，育種專家在進(jìn)行親本雜交過程中，并不知道想要的基因在哪個(gè)親本里，或者用哪個(gè)親本來做效率比較高，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判斷。

“3010份亞洲栽培稻基因組研究”成果為每個(gè)親本中的所有基因貼上了“標(biāo)簽”。每份親本對應(yīng)著怎樣的基因，大家從中可以一目了然，使本身抽象的基因轉(zhuǎn)化為育種專家能夠讀懂的數(shù)據(jù)。黎志康表示，此成果將極大推進(jìn)水稻功能基因組和育種科學(xué)，在未來的3年到5年，將會有一大批相關(guān)成果涌現(xiàn)出來。

數(shù)以萬計(jì)的基因是通過組合調(diào)控特定的代謝途徑，最終體現(xiàn)在作物的性狀表達(dá)之上的。黎志康打了個(gè)比方，這就好比籃球比賽，上場的5個(gè)人得配合好，各有分工，才能打出好成績。如果找5個(gè)頂尖的后衛(wèi)或者中鋒上去，都是不行的，一定要有最佳分工和搭配。基因也是一樣，有很多基因共同作用才能導(dǎo)致一個(gè)作物出現(xiàn)相應(yīng)的性狀。如果影響某一代謝途徑的任何一個(gè)基因出現(xiàn)問題，那么作物該性狀的表現(xiàn)就會出現(xiàn)問題。

“現(xiàn)在，通過全基因組掃描，我們可以找到特定品種某個(gè)性狀的缺失具體是由哪個(gè)或哪些基因出現(xiàn)了問題，然后從哪個(gè)親本里可以獲得所缺少的基因，再通過最佳育種手段將所需基因補(bǔ)上，就可以育成所需要的新品種。”黎志康說。

他表示，未來，要培育高產(chǎn)高效的綠色超級稻，其育種策略必須要把種質(zhì)資源和基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)行整合，并建成基于資源組合的遺傳信息平臺，使未來育種建立在大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)遺傳信息上。如此研究出的高效育種策略才能真正達(dá)到“設(shè)計(jì)育種”——即需要什么樣的品種就可以在比較短的時(shí)間內(nèi)培育出來。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長劉春明說：“過去5年，在生命科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生最大的、革命性的新技術(shù)就是基因編輯，我們能夠非常有效地對基因組任何一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整改變。這套技術(shù)將完全改變農(nóng)業(yè)研究的步伐。”而這項(xiàng)技術(shù)本身就依賴于基因組。其中，3000個(gè)基因組代表著相當(dāng)部分水稻的變異，“我們可以對變異的任何一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行修飾改變，完全按照目標(biāo)去修飾，也可以把它消除掉，這是未來基因組研究的重點(diǎn)”。劉春明說。

對此，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長唐華俊表示，“下一步，我們要把水稻基因組研究與分子育種結(jié)合起來，盡快育成高品質(zhì)、高質(zhì)量的新品種，滿足不同人群的高品質(zhì)需要”。

[責(zé)任編輯：李嬌陽、費(fèi)燕妮]

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