從頭馴化野生作物

南方周末特約撰稿 湯波

二倍體栽培稻（左）和異源四倍體野生稻（右）。　《細胞》雜志　?圖

長期馴化和育種改良會讓作物原本存在的抗病、耐寒、營養品質等相關的性狀丟失。　視覺中國　?圖

利用基因編輯技術，將現代栽培種的重要馴化基因引入野生種，可以實現野生作物的快速改良。

現在常見的作物品種均是經過漫長的時間從野生物種馴化而來，而目前作物育種仍然離不開野生物種的貢獻。不過在馴化和育種過程中，野生物種的一些優良性狀逐漸丟失，如營養素含量高、抗病、耐鹽堿等特性。最近，科學家提出了一種“從頭馴化”（De novo domes-tication）策略，即利用基因編輯技術，將現代栽培種的重要馴化基因引入野生種，使得野生種與現代栽培種的優良性狀聚合，從而實現野生作物的快速改良。2021年3月4日，國際著名學術期刊《細胞》（Cell）報道了中國科學院李家洋院士和高彩霞研究員等團隊在異源四倍體野生水稻種從頭馴化上取得的重大突破。

馴化造成有益性狀丟失

據估計，到2050年，全球人口數量將比目前增加25%，接近100億人。目前主要糧食作物產量增長速度，還無法滿足人口增長的需求，需要通過新的作物育種手段來快速提高作物的單產水平。不過，作物單產并非簡單地追求生長快，還需要兼顧抗蟲、抗病、耐旱、耐寒、耐鹽堿等特性，否則一場蝗災或一次旱災，就可能斷送農民全年的希望，再高產的品種也是白費。與此同時，隨著生活水平的提高，人們對作物的營養價值和品質的追求也在不斷增加，這些都是作物育種家們要重點考慮的問題。

12000年前，中東和新月沃地的人們開始馴化第一批糧食作物，開啟了農業文明。之后，中國、中美洲、安第斯山脈、大洋洲、撒哈拉以南非洲和北美東部等地區的人們也馴化出各種作物。截止到目前，估計約有超過2500種植物被人類不同程度地馴化過，其中約有300種為完全馴化，約有150種以上的馴化作物被世界各地的農民種植。不過，據世界糧農組織預測，現代人類約90%的能量消耗都是來自15種作物，其中小麥、玉米和大米貢獻了2/3的能量。

除了延續上萬年的馴化栽培，近一百多年的作物育種技術的發展也讓作物的特性發生了巨大變化。但是這種變化，既有好的一面，也有不好的一面。好的一面當然是育種技術進步讓產量快速提升，不好的一面則是長期馴化和育種改良讓作物原本存在的抗病、抗蟲、耐寒、營養品質等相關的性狀丟失。例如，自1950年以來，花椰菜中的鐵下降了32％，鋅下降了37％；與野生小麥相比，現代小麥品種的耐旱能力顯著降低；現在我們經常吃到的甜玉米蛋白質含量只相當于墨西哥一些野生玉米的1/10。

這些重要營養元素的減少和重要抗性性狀的丟失，主要因為在馴化和品種培育過程中，傳統育種方法往往無法同時兼顧產量、營養成分和抗病力等性狀的選擇，比如高產是作物育種的第一目標，當重點選擇產量時，營養成分含量就可能減少，抗鹽堿性也可能丟失。要將這些眾多優良性狀聚集在同一品種中，利用第一代表型選擇育種技術和第二代雜交育種技術幾乎不可能實現這一目標，第三代轉基因育種技術也比較費勁，只有第四代作物育種技術——基因編輯育種技術才能讓這一育種目標變成現實。

從野生番茄開始

2017年3月，巴西圣保羅大學的拉薩羅·尤斯塔基·佩雷拉·佩雷斯（Lázaro Eustáquio Pereira Peres）教授和同事首次提出“從頭馴化”策略，即利用CRISPR/Cas9等基因編輯技術，將一些控制產量、營養品質、抗性等特性的基因引入到野生種中，使其產量等主要經濟性狀快速達到目前的商業品種水平，又能保留現有品種在長期馴化過程中業已丟失的特性，從而培育出更優良的作物新品種。

在提出這種作物育種新策略的同時，佩雷斯教授團隊已開始著手在西紅柿上驗證這種理論。之所以選擇野生番茄，一方面是因為番茄是目前世界上最重要的蔬菜性水果，年產量達1億噸以上；另一方面是因為世界上現存十多種野生番茄種，便于選擇最適合的野生種進行改良。

2018年10月，佩雷斯教授團隊在《自然·生物技術》（Nature Bio-technology）發表了他們的最新研究成果，展現出基因編輯“從頭馴化”技術的巨大潛力，巴西維科薩聯邦大學的奧古斯丁·佐根（Agus-tin Zsogon）和美國明尼蘇達大學的湯姆斯·塞馬克（Tomas Cer-mak）是這項研究的共同第一作者。研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術對野生番茄進行一次性逆向遺傳工程操作，共修飾了與現代番茄品種產量和品質相關的6個基因，這些基因涉及番茄的生長習性、果實形狀和大小、果實數和營養品質等性狀。這種基因編輯使得原本只有豌豆大小的野生番茄果實增大了3倍，每個植株上的果實數量增多了10倍，果實中番茄紅素含量比野生西紅柿增加了1倍，而比現在廣泛栽培的番茄品種增加了5倍，從而實現了野生番茄的快速從頭馴化。

就在同一期雜志，來自中國科學院遺傳與發育研究所的高彩霞研究員團隊也展示了類似的研究成果。高彩霞團隊與巴西團隊一樣，利用基因編輯加速馴化同一個野生番茄，不過基因編輯策略和涉及基因稍微不同。高彩霞團隊采取多重基因編輯的方法，精準靶向開花光周期敏感性、株型和果實同步成熟控制、果實大小控制和維生素C合成酶等基因，在不犧牲野生番茄對鹽堿和瘡痂病天然抗性的前提下，將產量和品質性狀精準地導入了野生番茄，加速了野生植物的人工馴化。通過基因編輯，這些野生番茄開花的光周期敏感性被消除，從而不再受到原產地光照環境的限制，同時野生番茄的果實變大，植株變得緊湊，果實數量也大幅增加。另外，鹽處理和瘡痂病菌接種實驗表明，上述重要農藝性狀的精準導入并沒有影響野生番茄的天然抗性。

從頭馴化野生水稻

作為一個較為理想的試驗材料，野生番茄從頭馴化被中外科學家多次實現，不過更令人期待的則是野生作物種的從頭馴化。2021年3月4日，《細胞》雜志報道了高彩霞研究員與李家洋院士等人合作的最新研究成果，該研究團隊首次提出了野生異源四倍體水稻的從頭馴化路線圖，并進行了實驗驗證。

該團隊首先提出了野生水稻從頭馴化的路線圖，共分為四個階段。第一階段，篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻；第二階段，建立野生稻快速從頭馴化技術體系，其中包括三個核心點，即高質量參考基因組的繪制和基因功能注釋，高效遺傳轉化體系和基因組編輯技術體系；第三階段，設計并利用多重基因編輯快速導入栽培稻的馴化基因，以及田間評估；第四階段，新型水稻作物推廣應用。

該團隊首先從28個實驗材料中篩選出了一種來自南美的異源四倍體野生水稻，由兩種不同的二倍體野生水稻種雜交而成。該野生稻種比目前栽培的二倍體水稻種具有更大的生物量，以及更強的生物和非生物抗性。不過，這種野生異源四倍體水稻缺乏參考基因組，而且存在轉化效率低和再生困難等缺陷，因此后續基因編輯操作難度較大。

接下來，高彩霞和李家洋等人帶領研究團隊通過多種測序技術，獲得了首個野生稻種的參考基因組圖譜，并對基因組結構特點和基因功能進行注釋，發現該四倍體野生稻的基因組是二倍體栽培稻的二倍，并具有更多的抗性相關基因，解釋了其抗性更強的原因；同時該團隊優化遺傳轉化體系，使得該野生稻的組織轉化效率可達80%，轉化苗再生效率也達40%，完全可用于基因編輯；在此基礎上，研究人員成功構建了多基因編輯體系，實現了基因敲除、單堿基替換兩種基因組編輯。

第三步，研究人員利用上述基因編輯體系，對控制落粒性、芒長、株高、粒長、莖稈粗度及生育期等基因進行了基因敲除和單堿基替換等基因編輯，成功創制了落粒性降低、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。這項研究證明，通過基因編輯從頭馴化，可將異源四倍體野生稻開始馴化成一個主要水稻栽培品種，從而為水稻和其他糧食作物快速育種提供了新的策略。

本期《細胞》雜志還刊發了中國科學院分子植物科學卓越創新中心朱新廣研究員和朱健康院士的評論文章。他們認為這項研究既是野生谷物的首次從頭馴化研究，也是四倍體作物的首次從頭馴化研究，預示著通過基因編輯從頭馴化，可以培育出一種新型主糧作物，以保障全球糧食安全，同時也標志著一個作物育種新浪潮，即通過使用精確的基因組編輯技術快速馴化具有所期望性狀的農作物，將會有更多的野生作物被從頭馴化成一系列栽培品種。