中國科學(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隊首次提出了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(yīng)性。該研究為應(yīng)對未來糧食危機提出了一種新的可行策略，開辟了新的作物育種方向，是該領(lǐng)域的重大進展。在未來，成功培育四倍體水稻新作物有望對世界糧食生產(chǎn)帶來重大影響。
隨著世界人口的快速增長，到2050年前，糧食產(chǎn)量需再增加50%才能夠完全滿足需求，如何進一步提高作物單產(chǎn)是亟待解決的問題；近年來，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)對未來的糧食挑戰(zhàn)。
當(dāng)前的栽培稻從祖先二倍體野生稻經(jīng)過長時間的人工馴化而來，馴化過程在改良重要農(nóng)藝性狀的同時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，包括6類二倍體基因組和5類四倍體基因組。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)能力強等優(yōu)勢，但也具有非馴化特征，無法進行農(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，并分為“四個階段”：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種質(zhì)資源；第二階段是建立野生稻快速從頭馴化技術(shù)體系，其中包括三個核心點，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、重要農(nóng)藝性狀基因的功能驗證、多基因編輯及聚合、田間綜合性狀評估；第四階段是新型水稻作物推廣應(yīng)用。
以上述策略為藍圖，研究團隊與合作者通過對生物量大、脅迫抗性強的CCDD型異源四倍體野生稻資源進行篩選，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，并進一步對PPR1中控制落粒性、芒長、株高、粒長、莖稈粗度及生育期的同源基因進行了基因組編輯，創(chuàng)制出落粒性降低、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。研究結(jié)果證明了該團隊提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略具有可行性，對未來創(chuàng)制培育新的作物種類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《細胞》上。李家洋研究組副研究員余泓、博士后林濤、高級工程師孟祥兵、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，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員萬建民，中國水稻研究所研究員錢前，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。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點研發(fā)計劃及轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ椀闹С帧?/span>
異源四倍體野生稻的快速從頭馴化
地區(qū)：
魯公網(wǎng)安備 37060202000128號
