許操

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從0到1：異源四倍體野生稻從頭馴化創(chuàng)造全新作物

許操

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，種子創(chuàng)新研究院，北京 100101

2021年2月3日，雜志在線發(fā)表了李家洋院士團(tuán)隊(duì)關(guān)于四倍體野生稻從頭馴化的重大突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)繪制了四倍體野生稻從頭馴化路線圖，與合作者經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，突破了一系列限制多倍體野生稻馴化的理論難題和技術(shù)瓶頸，綜合運(yùn)用多維組學(xué)和基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了野生四倍體水稻的從頭馴化，創(chuàng)造了世界首例重新設(shè)計(jì)與快速馴化的四倍體水稻，將過(guò)去的“不可能”變成了現(xiàn)在的“一切皆有可能”。該研究突破了現(xiàn)有二倍體水稻作物的育種局限，實(shí)踐了從0到1的突破性創(chuàng)新，為遺傳背景復(fù)雜的野生植物重新馴化提供了范例和解決方案，將引領(lǐng)未來(lái)作物創(chuàng)造，翻開(kāi)生物育種新篇章。

馴化是一個(gè)復(fù)雜的進(jìn)化歷程，是一種生物的繁衍逐漸受到另一種生物的影響與控制的過(guò)程[1]。農(nóng)作物的栽培與人工馴化是農(nóng)業(yè)文明起源的重要標(biāo)志。將野生植物馴化成農(nóng)作物是人類(lèi)馴化活動(dòng)的主要目標(biāo)之一。在漫長(zhǎng)的馴化選擇歷程中，植物逐漸失去其野生祖先種的遺傳和生理特征，形成符合人類(lèi)階段性需求的栽培品種[2]。馴化和改良引發(fā)的農(nóng)作物品種更新?lián)Q代往往與人類(lèi)文明的發(fā)展歷程同步。20世紀(jì)40年代起，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和化學(xué)合成技術(shù)等工業(yè)文明成果的日臻成熟和推廣應(yīng)用，作物品種也隨著第一次綠色革命的興起而實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代，這使得以大規(guī)模、單一品種的機(jī)械化種植，化肥及殺蟲(chóng)劑、除草劑等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用為特征的農(nóng)業(yè)模式替代了傳統(tǒng)的多樣化品種的小規(guī)模農(nóng)耕模式。這一方面提高了全球糧食產(chǎn)量，在一定程度上緩解了全球饑餓問(wèn)題；另一方面深刻地改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。高產(chǎn)品種的單一化、同質(zhì)化種植使得不同地區(qū)的特色品種逐漸消失，削弱了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，降低了對(duì)病蟲(chóng)害的耐受力，農(nóng)藥的過(guò)度施用則又提高了病蟲(chóng)害的耐藥性，同時(shí)也對(duì)土壤、水系造成污染[3,4]。隨著世界人口快速增長(zhǎng)和全球氣候變化以及作物遺傳多樣性持續(xù)降低，作物改良和糧食增產(chǎn)遭遇瓶頸，人類(lèi)糧食安全形勢(shì)異常嚴(yán)峻。據(jù)世界糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)最新統(tǒng)計(jì)[5]，目前全球共有20億糧食不安全人口，約占全球總?cè)丝诘?6%，其中10.3億生活在亞洲，6.75億在非洲。更為嚴(yán)峻的是，全球饑餓人口還在不斷增加。2019年FAO最新統(tǒng)計(jì)表明[5]，新冠 (COVID-19)疫情大流行發(fā)生之前，全球近6.9億人處于饑餓狀態(tài)，相當(dāng)于全球人口的8.9%。自2014年以來(lái)遭受饑餓的人數(shù)新增了6000萬(wàn)。如果這一趨勢(shì)持續(xù)下去，饑餓人口到2030年將突破8.4億。根據(jù)最新全球經(jīng)濟(jì)展望所做的初步預(yù)測(cè)[5]，僅COVID-19疫情可能導(dǎo)致2020年饑餓人口新增8300萬(wàn)至1.32億，具體取決于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)前景。因此，為保障糧食安全和可持續(xù)發(fā)展，人類(lèi)亟需創(chuàng)新作物育種策略，創(chuàng)造能智能響應(yīng)環(huán)境變化，滿足現(xiàn)代及未來(lái)社會(huì)數(shù)字化、信息化、智能化生產(chǎn)方式和生活方式的全新作物[6]。

我國(guó)人口多、耕地少、農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)口依存度高，糧食安全成為關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的頭等大事，突破現(xiàn)有作物改良局限和技術(shù)瓶頸，創(chuàng)造符合我國(guó)國(guó)情、農(nóng)情的全新作物，引領(lǐng)種子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與未來(lái)作物創(chuàng)造，對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義[7]。近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家在主要農(nóng)作物基礎(chǔ)科學(xué)研究、作物改良、品種推廣等方面取得重要成就，為保障糧食安全做出突出貢獻(xiàn)。以水稻為例，我國(guó)科學(xué)家在理想株型、營(yíng)養(yǎng)高效、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗病穩(wěn)產(chǎn)等領(lǐng)域取得一大批重要科研成果，并培育了一系列優(yōu)異的水稻品種，為保障糧食安全作出重要貢獻(xiàn)。隨著研究的深入，人們對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀的認(rèn)識(shí)越來(lái)越清楚，但耐受極端氣候、耐鹽堿、耐旱澇等環(huán)境適應(yīng)性性狀，以及抵抗復(fù)雜病菌、蟲(chóng)害等生物適應(yīng)性性狀更為復(fù)雜，對(duì)其分子機(jī)理的研究進(jìn)展緩慢，耐逆育種也因此遭遇瓶頸，現(xiàn)有品種難以滿足未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)對(duì)氣候變化的需求。與此形成鮮明對(duì)比的是，大量?jī)?yōu)異的野生稻種質(zhì)資源未被充分利用，尤其是異源多倍體野生稻，它們的環(huán)境適應(yīng)性和生物適應(yīng)性?xún)?yōu)異，具有巨大的馴化潛力和開(kāi)發(fā)空間。可能原因主要包括如下幾個(gè)方面：(1)野生稻受株型、花期、育性等性狀影響，難以在實(shí)驗(yàn)室條件下馴養(yǎng)和表型觀察；(2)野生稻的染色體倍性、雜合度、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使其基因組高度復(fù)雜，遺傳分析、基因注釋和信息解碼極具挑戰(zhàn)；(3)野生稻受愈傷誘導(dǎo)、器官再生、農(nóng)桿菌侵染等因素制約，難以遺傳轉(zhuǎn)化，無(wú)法使用基因工程、基因組編輯等現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)對(duì)其挖掘利用。如果能突破上述挑戰(zhàn)，在保持野生多倍體水稻優(yōu)異耐逆性狀的前提下，導(dǎo)入研究相對(duì)較為清楚的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀，將有可能實(shí)現(xiàn)水稻的從頭馴化(domestication)，突破現(xiàn)有的二倍體水稻的局限和育種瓶頸，創(chuàng)造全新的環(huán)境智能型多倍體水稻，從而有望引發(fā)新一輪綠色革命。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)于2021年2月3日在雜志報(bào)道了他們關(guān)于四倍體野生稻從頭馴化的重大突破性研究成果[8]。該團(tuán)隊(duì)繪制了四倍體野生稻從頭馴化路線圖，與合作者經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，突破了一系列限制多倍體野生稻馴化的理論難題和技術(shù)瓶頸，綜合運(yùn)用多維組學(xué)和基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了野生四倍體水稻的從頭馴化，創(chuàng)造了世界首例重新設(shè)計(jì)與快速馴化的四倍體水稻，將過(guò)去的“不可能”變成了現(xiàn)在的“一切皆有可能”(圖1)。該研究突破了現(xiàn)有二倍體水稻作物的育種局限，實(shí)踐了從0到1的突破性創(chuàng)新，為遺傳背景復(fù)雜的野生植物重新馴化提供了范例和解決方案，將引領(lǐng)未來(lái)作物創(chuàng)造，翻開(kāi)生物育種新篇章。

圖1 四倍體野生稻從頭馴化創(chuàng)造全新作物示意圖

多倍體化是植物進(jìn)化的重要機(jī)制。二倍體向多倍體的演化過(guò)程引入了新的遺傳信息，提高了遺傳多樣性，增強(qiáng)了植物的環(huán)境適應(yīng)性和系統(tǒng)穩(wěn)健性。研究表明，水稻染色體在經(jīng)歷同源多倍化后，其抗逆性(如耐旱、耐寒及耐鹽堿等)明顯增強(qiáng)，而異源多倍體水稻則表現(xiàn)出更為強(qiáng)悍的抗逆性[9]。迄今為止，共27個(gè)稻屬品種被鑒定出來(lái)，分為11個(gè)顯著的基因組類(lèi)型，包括6個(gè)二倍體(AA、BB、CC、EE、FF和GG)和5個(gè)異源四倍體(BBCC、CCDD、HHJJ、HHKK和KKLL)10。與栽培種相比，來(lái)源于南美的CCDD四倍體水稻的生物量較大，且對(duì)生物脅迫和非生物脅迫的抗性更強(qiáng)[11,12]。尋找優(yōu)異野生稻種質(zhì)并突破組培再生障礙是實(shí)現(xiàn)從頭馴化的基礎(chǔ)。為了獲得合適的馴化底盤(pán)材料，突破野生稻組培再生障礙，研究人員從水稻種質(zhì)資源庫(kù)中收集得到28個(gè)CCDD基因型水稻，包括8個(gè)，2個(gè)和18個(gè)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了這28個(gè)品種脫分化形成愈傷的能力，篩選到再生能力相對(duì)較強(qiáng)的品種：(accession ID 2007-24，來(lái)源于國(guó)家野生水稻種質(zhì)資源中心，南寧)，并將其命名為PPR1。研究人員進(jìn)而對(duì)PPR1的遺傳轉(zhuǎn)化及組織培養(yǎng)方法進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，將其轉(zhuǎn)化效率提高至80%左右，再生能力提高至40%左右，為遺傳轉(zhuǎn)化和基因操作鋪平了道路。破譯基因組并解碼基因信息是實(shí)現(xiàn)基因操作的前提。針對(duì)PPR1異源四倍體基因組的復(fù)雜性，研究人員綜合運(yùn)用單分子實(shí)時(shí)測(cè)序(single-molecule real-time sequencing)、BinoNano測(cè)序，高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲測(cè)序(Hi-C)和Illumina short reads測(cè)序等多種測(cè)序技術(shù)和優(yōu)化的組裝算法[13]，組裝完成精準(zhǔn)度高、覆蓋范圍大、序列完整度好的高質(zhì)量野生稻基因組。結(jié)果表明，PPR1含有24條染色體，基因組大小為894.6 Mb。通過(guò)對(duì)PPR1水稻幼葉、幼根、幼莖、成熟葉、成熟根、成熟莖、種子、花序、稻穗、愈傷組織等10個(gè)代表性組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，研究人員共發(fā)現(xiàn)482,997條轉(zhuǎn)錄本。其中，99,312個(gè)基因被功能注釋?zhuān)?9.94%的基因均勻地分布在24條染色體上。明確產(chǎn)量和品質(zhì)等馴化性狀的靶標(biāo)基因是實(shí)現(xiàn)從頭馴化的關(guān)鍵。該研究分析了四倍體野生稻的基因組特征和遺傳變異，對(duì)PPR1和栽培種水稻基因組進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)栽培種中有77.87%的基因在PPR1中存在同源基因。相較于栽培種，PPR1含有相對(duì)較多的抗性基因，擁有廣譜抗性潛力。研究人員對(duì)包括28個(gè)CCDD，6個(gè)EE和10個(gè)CC在內(nèi)的共44個(gè)野生四倍體水稻進(jìn)行了重測(cè)序。通過(guò)遺傳變異分析，發(fā)現(xiàn)CCDD品種中堿基多態(tài)性大約為0.0049，遠(yuǎn)低于其他多倍體作物比如馬鈴薯(0.0111)，但是高于二倍體水稻(, 0.0024;0.0030)。功能基因的保守性為篩選產(chǎn)量相關(guān)的馴化基因奠定了基礎(chǔ)。多靶點(diǎn)精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)是實(shí)現(xiàn)快速馴化的保障。研究人員通過(guò)比較基因組學(xué)對(duì)二倍體栽培稻中已發(fā)現(xiàn)的株型、花期、收獲方式等重要產(chǎn)量性狀的馴化基因進(jìn)行了分析，鑒定了落?；蛎㈤L(zhǎng)基因，綠色革命基因、，粒長(zhǎng)基因以及理想株型基因在PPR1中的同源基因，并使用CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)上述基因進(jìn)行編輯，獲得了含有上述基因不同突變形式的水稻材料。這些突變體表現(xiàn)出籽粒和梗間脫落層消失、芒長(zhǎng)變短、株高和節(jié)間距變短，莖稈粗壯等馴化表型。通過(guò)多靶點(diǎn)編輯系統(tǒng)同時(shí)對(duì)花期相關(guān)基因、、和進(jìn)行編輯, 獲得突變體材料的抽穗時(shí)間均有縮短，其中有些株系抽穗期縮短至82~92天，接近現(xiàn)有栽培稻?；ㄆ诘膬?yōu)化克服了野生稻抽穗的光周期敏感性，將有助于打破其生長(zhǎng)繁育的地理位置和氣候條件的限制，培育出廣適型品種。

異源四倍體野生稻從頭馴化路線圖的繪制與實(shí)踐為遺傳背景復(fù)雜、馴化潛力大、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值高的野生植物的快速馴化開(kāi)辟了道路，提供了成功范例和解決方案，并為種子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與未來(lái)作物創(chuàng)造提供了全新策略。除了主要糧食作物，從頭馴化在果蔬作物中亦取得了重要進(jìn)展。2018年，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)選用天然耐鹽堿和抗瘡痂病的野生醋栗番茄()為底盤(pán)材料，將產(chǎn)量和品質(zhì)性狀精準(zhǔn)地導(dǎo)入了野生番茄，消除了野生番茄開(kāi)花的光周期敏感性，馴化出株型緊湊，坐果率、果實(shí)成熟一致性和收獲指數(shù)、維生素C含量顯著提高的新型番茄。重要的是，從頭馴化的新型番茄獲得了產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的同時(shí)，保持了野生番茄的耐鹽堿和抗病性狀[14]。野生稻和野生番茄的從頭馴化將推動(dòng)小眾作物(Orphan crop)的從頭馴化。小眾作物是指分布在較為局限的地區(qū)，并被當(dāng)?shù)厝耸秤玫淖魑颷15]。小眾作物往往具有優(yōu)良的品質(zhì)或營(yíng)養(yǎng)性狀，并可以在土壤貧瘠、高海拔高、寒旱惡劣環(huán)境中生長(zhǎng)。比如，小眾作物燈籠果()具有優(yōu)異的逆境耐受能力，豐富的營(yíng)養(yǎng)成分和特別的風(fēng)味物質(zhì)。美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室的Lippman教授團(tuán)隊(duì)使用基因編輯對(duì)燈籠果進(jìn)行了快速馴化，改良了燈籠果的食用品質(zhì)和園藝性狀，為小眾作物的快速馴化提供了范例[15]。隨著全球人口增長(zhǎng)和環(huán)境惡化，保障食物供應(yīng)一直是很多經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的首要問(wèn)題，增加人類(lèi)食譜的豐富性也是提高生活品質(zhì)的重要目標(biāo)，而這些小眾作物能在與其原產(chǎn)地相似的環(huán)境惡劣地區(qū)依然保持優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)地生長(zhǎng)，可見(jiàn)其具有著十分廣闊的應(yīng)用潛力。對(duì)于我國(guó)而言，小眾作物往往極具地域特色和特殊食用或者藥用價(jià)值，對(duì)推動(dòng)鄉(xiāng)村振興和精準(zhǔn)扶貧具有重要意義[4]。

飛速發(fā)展的基因組編輯、合成生物學(xué)、染色體工程等現(xiàn)代生物技術(shù)和多維組學(xué)研究驅(qū)動(dòng)的育種技術(shù)革新，在大數(shù)據(jù)、人工智能的助推下，正在開(kāi)啟精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種的新時(shí)代，掀起“第三次綠色革命”浪潮，而異源多倍體野生植物的從頭馴化無(wú)疑是這次浪潮中“最硬的骨頭”、“最險(xiǎn)的關(guān)隘”之一，作物重新設(shè)計(jì)與快速馴化領(lǐng)域的突破和持續(xù)進(jìn)展很有可能產(chǎn)生“第三次綠色革命”的關(guān)鍵理論和核心技術(shù)。不過(guò)我們需要清醒地認(rèn)識(shí)到，仍有相當(dāng)一部分野生植物無(wú)法實(shí)現(xiàn)組培再生和基因轉(zhuǎn)化，阻礙了基因編輯和合成生物學(xué)技術(shù)在其馴化中的應(yīng)用；有相當(dāng)一批野生植物存在生殖障礙、基因組不穩(wěn)定等問(wèn)題，這些問(wèn)題的攻克必須依靠植物基礎(chǔ)科學(xué)研究的重大理論創(chuàng)新和技術(shù)突破。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)作物多維組學(xué)研究，鑒定更多馴化基因，收集和發(fā)掘更多優(yōu)異的野生種質(zhì)資源，將為作物重新設(shè)計(jì)和快速馴化提供更多靶基因和底盤(pán)材料；加強(qiáng)植物再生機(jī)制和基因轉(zhuǎn)化方面的研究，提高基因編輯技術(shù)的靶向效率，突破植物基因重組替換的技術(shù)瓶頸，運(yùn)用合成生物學(xué)技術(shù)對(duì)作物基因信息流重編程將為從頭馴化提供保障，促進(jìn)新作物創(chuàng)造。

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2021-02-04;

2021-02-02

許操，研究員，研究方向：小肽信號(hào)與植物發(fā)育、作物重新馴化、蛋白質(zhì)相分離。E-mail: caoxu@genetics.ac.cn

10.16288/j.yczz.21-056

2021/2/5 15:28:37

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210205.1057.003.html