李家洋（右）與(yu) 學生在實驗室討論。本報記者王之康攝

■本報見習(xi) 記者 韓揚眉

一株自生自滅的野生稻成為(wei) 農(nong) 民伯伯手中的糧食，需要多久？

“一般來說，可能需要經曆7000年到1萬(wan) 年。”中國科學院院士、中國科學院遺傳(chuan) 與(yu) 發育生物學研究所研究員李家洋告訴《中國科學報》。

該過程也被稱為(wei) “馴化”，它是人類農(nong) 業(ye) 起源和定居的重要標誌之一。顯然，麵對快速增長的世界人口、不斷變化的全球環境氣候，如此久的馴化時間不可能滿足現實需求。

為(wei) 解決(jue) 這一難題，中國科學院種子創新研究院/中國科學院遺傳(chuan) 與(yu) 發育生物學研究所李家洋院士團隊，首次提出了異源四倍體(ti) 野生稻快速從(cong) 頭馴化的新策略，旨在最終培育出新型多倍體(ti) 水稻作物，從(cong) 而大幅提升糧食產(chan) 量並增加環境變化適應性。相關(guan) 研究成果2月4日發表於(yu) 《細胞》。

應對危機 創造新主糧

聯合國糧農(nong) 組織報告指出，到2050年，全球糧食生產(chan) 應在目前的基礎上增加50％才能滿足人口增長的需求。與(yu) 此同時，近年來世界氣候變化加劇，全球變暖、極端天氣頻發都給糧食安全帶來了巨大挑戰。如何進一步提高作物單產(chan) 是亟待解決(jue) 的嚴(yan) 峻問題。

水稻是世界最主要的糧食作物之一，為(wei) 全世界一半以上的人口提供主糧。雖然我國已在水稻育種中取得了卓越成就，但仍然迫切需要新策略來應對未來挑戰。

中國科學院遺傳(chuan) 與(yu) 發育生物學研究所副研究員、論文第一作者和共同通訊作者餘(yu) 泓表示，對於(yu) 植物來說，多倍化是其進化的重要機製。

當前田間的栽培稻由“祖先”二倍體(ti) 野生稻經過數千年的人工馴化而來，馴化過程在改良其重要農(nong) 藝性狀的同時，也造成了遺傳(chuan) 多樣性的大量減少、優(you) 勢基因資源的缺失。

過去研究發現，除了二倍體(ti) 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，包括6類二倍體(ti) 基因組和5類四倍體(ti) 基因組。

其中，CCDD基因組異源四倍體(ti) 野生稻將CC基因組水稻和DD基因組水稻的兩(liang) 套完整二倍體(ti) 染色體(ti) 進行了融合，有天然的雜種優(you) 勢。此外，還具有生物量大、環境適應能力強等優(you) 勢。

不過，異源四倍體(ti) 野生稻同時也具有非馴化特征的缺點，無法作為(wei) 可被人類利用的作物進行農(nong) 業(ye) 生產(chan) 。“如果我們(men) 對異源四倍體(ti) 野生稻進行‘改造’，讓它變成我們(men) 理想的作物品種，將馴化時間從(cong) 成千上萬(wan) 年縮短到幾年或十幾年，那將是一個(ge) 創造新主糧作物的壯舉(ju) 。”李家洋說。

基於(yu) 此，李家洋近年來提出了異源四倍體(ti) 野生稻快速從(cong) 頭馴化策略，帶領團隊從(cong) 異源四倍體(ti) 野生稻入手，破解其快速從(cong) 頭馴化的技術瓶頸，探索創製新作物的可行路線。

從(cong) 頭馴化 突破技術難關(guan)

李家洋提出的異源四倍體(ti) 野生稻快速從(cong) 頭馴化策略“藍圖”一共分為(wei) 四個(ge) 階段。第一階段，是在全球範圍內(nei) 收集並篩選綜合性狀最佳的異源四倍體(ti) 野生稻底盤種質資源。

他們(men) 通過與(yu) 國內(nei) 外同行合作、整理已有的種質資源，確定了具有最大生物量及最強脅迫抗性的目標材料“CCDD型”，一共收集了28份異源四倍體(ti) 野生稻資源，並通過對組培再生能力、基因組雜合度及田間綜合性狀等進行係統考察，篩選出一份高稈野生稻資源作為(wei) 後續研究的基礎，並將其命名為(wei) 多倍體(ti) 水稻1號 （簡稱PPR1）。

研究表明，PPR1的生物量極大，株高可達2.7米，穗長可達48厘米，葉寬可達5厘米，但它也具備典型的未經過馴化特征，如稀穗、粒小（栽培稻的1/3）、芒長（大於(yu) 4厘米）等。

“要在過去原始野生稻的基礎上，對它的基因進行一些精準改造，這是一條全世界都沒采用過的全新技術路線，需要突破很多技術難關(guan) 。”李家洋告訴《中國科學報》。

在第二階段，研究團隊曆時近4年時間突破了三大技術瓶頸，建立野生稻快速從(cong) 頭馴化技術體(ti) 係，包括高質量參考基因組的繪製和基因功能注釋、高效遺傳(chuan) 轉化體(ti) 係和高效基因組編輯技術體(ti) 係。

通過該團隊的不懈努力，PPR1遺傳(chuan) 轉化效率可達到80%，轉化苗再生效率最高達40%以上。研究人員利用最新的測序技術及基因組組裝策略，組裝完成了首個(ge) 異源四倍體(ti) 水稻參考基因組，該基因組大小為(wei) 894.6Mb，是栽培稻的兩(liang) 倍左右，共注釋出了81000多個(ge) 高可信度基因，並進一步係統分析了四倍體(ti) 水稻的基因組特征。

功能基因組的解析為(wei) 下一步對重要農(nong) 業(ye) 性狀進行快速馴化打下了堅實基礎。第三階段——品種分子設計與(yu) 快速馴化，包括重要農(nong) 藝性狀基因注釋及基於(yu) 基因組信息的品種分子設計、重要農(nong) 藝性狀基因的功能驗證、多基因編輯和聚合以及田間綜合性狀評估等。

研究人員還進一步驗證了這一設想的可行性，他們(men) 注釋了栽培稻中10個(ge) 馴化基因及113個(ge) 重要農(nong) 藝性狀基因在異源四倍體(ti) 野生稻中的同源基因，係統分析其同源性，並進一步對PPR1中控製落粒性、芒長、株高、粒長、莖稈粗度及生育期的同源基因進行了基因編輯，成功創製了落粒性降低、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。

“這一係列結果最終證明我們(men) 提出的新策略是高度可行的。”餘(yu) 泓說。而下一個(ge) 階段，就是按照該路線完全實現新型水稻作物的創製，並進行生產(chan) 應用。

合作共享 共迎新挑戰

審稿人認為(wei) ，本研究對未來應對糧食危機提出了一種新的可行策略，是該領域的一項重大突破性進展，未來四倍體(ti) 水稻新作物的成功培育，有望給世界糧食生產(chan) 帶來顛覆性的革命。

在同行們(men) 看來，這是一項技術難度大、複雜程度高的係統性工程，為(wei) 未來其他動植物的快速馴化提供了技術路線參考，有著重要的科學意義(yi) 。

李家洋長期從(cong) 事水稻高產(chan) 優(you) 質性狀形成的分子機理研究，引領作物高效精準的設計育種，帶領中國水稻育種科研走在國際前列，為(wei) 保障糧食安全作出傑出貢獻。而突破性成果頻出，離不開李家洋培養(yang) 的一支優(you) 秀團隊。

“就該研究而言，我們(men) 現在隻是做到了第三階段的一半，接下來，我們(men) 會(hui) 解析更多的基因，直到最後創製一個(ge) 真正的新的優(you) 質品種或超級品種，放到不同區域，甚至不同國家試種。”李家洋坦承，“還有很多難題待破解，也是時候跟科學界共享，與(yu) 大家一起努力完成這個(ge) 創舉(ju) 。”

相關(guan) 論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.013