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应对全球粮食危机 中国科学家提出并验证野生稻驯化新策略

日期: 2021-02-18
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 近年来,世界气候变化加剧,全球气候变暖、极端天气频发都给粮食安全带来巨大挑战,如何有效应对全球粮食危机备受关注。

  中国科学家最新对世界主粮水稻研究提出并证实一种异源四倍体野生稻驯化的全新策略,将为有效应对未来全球粮食危机提供切实可行的“中国方案”。

  开辟全新作物育种方向 

  水稻是世界最主要的粮食作物之一,为全世界一半以上人口提供主粮。虽然中国在水稻育种领域已取得辉煌成就,但仍然迫切需要新策略来应对未来的粮食挑战,如何进一步提高作物单产则是亟待解决的严峻问题。

  基于此,中国科学院种子创新研究院/遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队与合作者在全球首次研究提出并证实异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略,旨在最终培育出新型多倍体水稻作物,从而大幅提升粮食产量并增加作物环境变化适应性。

  这项最新研究为未来粮食危机应对提出一种新的可行策略,开辟出全新的作物育种方向,未来四倍体水稻新作物的成功培育,将有望对世界粮食生产带来颠覆性的革命。

  中国科学家在水稻培育领域完成的这一重大突破性进展成果论文,北京时间2月4日在国际知名学术期刊《细胞》发表。

  四阶段推进四倍体野生稻驯化新策略 

  论文主要通讯作者李家洋院士长期致力于水稻高产优质性状形成分子机理研究,引领作物高效精准的设计育种。他介绍说,当前的栽培稻是从祖先二倍体野生稻经过数千年的人工驯化而来,驯化过程在改良重要农艺性状的同时造成遗传多样性的大量丢失。

  除了二倍体栽培稻,稻属还有其他25种野生植物,按照基因组特征又可以分成11类,包括6类二倍体基因组和5类四倍体基因组。其中,异源四倍体野生稻具有生物量大、自带杂种优势、环境适应能力强等优势,但同时也具有非驯化特征,无法进行农业生产。

  为攻克创制多倍体水稻新作物的难题,李家洋团队首次提出异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略,并分四个阶段研究推进:第一阶段,收集并筛选综合性状最佳的异源四倍体野生稻底盘种质资源;第二阶段,建立野生稻快速从头驯化技术体系;第三阶段,品种分子设计与快速驯化;第四阶段,新型水稻作物推广应用。目前,研究团队已完成前两个阶段的科研攻关和系列技术瓶颈突破。

  突破四倍体野生稻驯化三大技术瓶颈 

  以异源四倍体野生稻快速从头驯化的策略为蓝图,李家洋团队与合作者首先确定具有最大生物量及最强胁迫抗性的目标材料,共收集28份异源四倍体野生稻资源,通过对组培再生能力、基因组杂合度及田间综合性状等进行系统考察,筛选出一份高秆野生稻资源,作为后续研究的基础,并将其命名为“多倍体水稻1号”(Poly Ploid Rice 1,简称PPR1)。PPR1的生物量极大,株高、穗长、叶宽分别可达2.7米、48厘米、5厘米,但它也具备稀穗、粒小、芒长等典型未经过驯化的特征。

  进入第二阶段,研究团队通过持续攻关,先后突破异源四倍体野生稻快速从头驯化三大技术瓶颈:

  一是建立多倍体水稻高效的组培再生与遗传转化体系,在获得PPR1具有较好的组培再生能力的基础上,进一步优化体系,最终实现遗传转化效率最高80%以上,转化苗再生效率最高40%以上。

  二是建立高效精准的基因组编辑技术体系,成功实现基因敲除、单碱基替换两种基因组编辑类型,并构建多基因编辑体系。

  三是建立高质量四倍体野生稻参考基因组,利用最新的测序技术及基因组组装策略,组装完成大小为894.6Mb(栽培稻的两倍左右)的首个异源四倍体水稻参考基因组,共注释出81421个高可信度基因,并进一步系统分析了四倍体水稻的基因组特征。

  证明驯化策略高度可行 

  在筛选确定种质PPR1和成功突破第二阶段全部技术瓶颈的基础上,李家洋团队又进一步测试在二倍体栽培稻中积累的功能基因知识能否用于异源四倍体野生稻的快速驯化,他们在异源四倍体基因组中,注释了栽培稻中10个驯化基因及113个重要农艺性状基因的同源基因,系统分析其同源性,并对PPR1中控制落粒性、芒长、株高、粒长、茎秆粗度及生育期的同源基因进行基因编辑,最终成功创制出落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的各种基因编辑源四倍体野生稻材料。

  李家洋院士表示,这一系列研究结果证明,中国科学家提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化策略高度可行,对未来创制培育新的作物种类具有重大意义。后续,研究团队将在这一阶段性科研成果基础上,推动实现PPR1品种分子设计与快速驯化、新型水稻作物推广应用,以助力世界农业生产增收、应对未来全球粮食危机。(记者 孙自法)


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