從0到1：異源四倍體野生稻從頭馴化創造全新作物

許操

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從0到1：異源四倍體野生稻從頭馴化創造全新作物

許操

中國科學院遺傳與發育生物學研究所，植物基因組學國家重點實驗室，種子創新研究院，北京 100101

2021年2月3日，雜志在線發表了李家洋院士團隊關于四倍體野生稻從頭馴化的重大突破性進展。該團隊繪制了四倍體野生稻從頭馴化路線圖，與合作者經過多年攻關，突破了一系列限制多倍體野生稻馴化的理論難題和技術瓶頸，綜合運用多維組學和基因編輯技術實現了野生四倍體水稻的從頭馴化，創造了世界首例重新設計與快速馴化的四倍體水稻，將過去的“不可能”變成了現在的“一切皆有可能”。該研究突破了現有二倍體水稻作物的育種局限，實踐了從0到1的突破性創新，為遺傳背景復雜的野生植物重新馴化提供了范例和解決方案，將引領未來作物創造，翻開生物育種新篇章。

馴化是一個復雜的進化歷程，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程[1]。農作物的栽培與人工馴化是農業文明起源的重要標志。將野生植物馴化成農作物是人類馴化活動的主要目標之一。在漫長的馴化選擇歷程中，植物逐漸失去其野生祖先種的遺傳和生理特征，形成符合人類階段性需求的栽培品種[2]。馴化和改良引發的農作物品種更新換代往往與人類文明的發展歷程同步。20世紀40年代起，隨著農業機械化和化學合成技術等工業文明成果的日臻成熟和推廣應用，作物品種也隨著第一次綠色革命的興起而實現更新換代，這使得以大規模、單一品種的機械化種植，化肥及殺蟲劑、除草劑等在農業生產中大量施用為特征的農業模式替代了傳統的多樣化品種的小規模農耕模式。這一方面提高了全球糧食產量，在一定程度上緩解了全球饑餓問題；另一方面深刻地改變了傳統的農業生產模式。高產品種的單一化、同質化種植使得不同地區的特色品種逐漸消失，削弱了農業生態系統的多樣性，降低了對病蟲害的耐受力，農藥的過度施用則又提高了病蟲害的耐藥性，同時也對土壤、水系造成污染[3,4]。隨著世界人口快速增長和全球氣候變化以及作物遺傳多樣性持續降低，作物改良和糧食增產遭遇瓶頸，人類糧食安全形勢異常嚴峻。據世界糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)最新統計[5]，目前全球共有20億糧食不安全人口，約占全球總人口的26%，其中10.3億生活在亞洲，6.75億在非洲。更為嚴峻的是，全球饑餓人口還在不斷增加。2019年FAO最新統計表明[5]，新冠 (COVID-19)疫情大流行發生之前，全球近6.9億人處于饑餓狀態，相當于全球人口的8.9%。自2014年以來遭受饑餓的人數新增了6000萬。如果這一趨勢持續下去，饑餓人口到2030年將突破8.4億。根據最新全球經濟展望所做的初步預測[5]，僅COVID-19疫情可能導致2020年饑餓人口新增8300萬至1.32億，具體取決于經濟增長前景。因此，為保障糧食安全和可持續發展，人類亟需創新作物育種策略，創造能智能響應環境變化，滿足現代及未來社會數字化、信息化、智能化生產方式和生活方式的全新作物[6]。

我國人口多、耕地少、農產品進口依存度高，糧食安全成為關乎國計民生的頭等大事，突破現有作物改良局限和技術瓶頸，創造符合我國國情、農情的全新作物，引領種子精準設計與未來作物創造，對保障我國糧食安全具有重要的戰略意義[7]。近年來，我國科學家在主要農作物基礎科學研究、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。以水稻為例，我國科學家在理想株型、營養高效、優質高產、抗病穩產等領域取得一大批重要科研成果，并培育了一系列優異的水稻品種，為保障糧食安全作出重要貢獻。隨著研究的深入，人們對水稻產量、品質等性狀的認識越來越清楚，但耐受極端氣候、耐鹽堿、耐旱澇等環境適應性性狀，以及抵抗復雜病菌、蟲害等生物適應性性狀更為復雜，對其分子機理的研究進展緩慢，耐逆育種也因此遭遇瓶頸，現有品種難以滿足未來農業生產和應對氣候變化的需求。與此形成鮮明對比的是，大量優異的野生稻種質資源未被充分利用，尤其是異源多倍體野生稻，它們的環境適應性和生物適應性優異，具有巨大的馴化潛力和開發空間。可能原因主要包括如下幾個方面：(1)野生稻受株型、花期、育性等性狀影響，難以在實驗室條件下馴養和表型觀察；(2)野生稻的染色體倍性、雜合度、穩定性等特點，使其基因組高度復雜，遺傳分析、基因注釋和信息解碼極具挑戰；(3)野生稻受愈傷誘導、器官再生、農桿菌侵染等因素制約，難以遺傳轉化，無法使用基因工程、基因組編輯等現代生物學技術對其挖掘利用。如果能突破上述挑戰，在保持野生多倍體水稻優異耐逆性狀的前提下，導入研究相對較為清楚的產量和品質性狀，將有可能實現水稻的從頭馴化(domestication)，突破現有的二倍體水稻的局限和育種瓶頸，創造全新的環境智能型多倍體水稻，從而有望引發新一輪綠色革命。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊于2021年2月3日在雜志報道了他們關于四倍體野生稻從頭馴化的重大突破性研究成果[8]。該團隊繪制了四倍體野生稻從頭馴化路線圖，與合作者經過多年攻關，突破了一系列限制多倍體野生稻馴化的理論難題和技術瓶頸，綜合運用多維組學和基因編輯技術實現了野生四倍體水稻的從頭馴化，創造了世界首例重新設計與快速馴化的四倍體水稻，將過去的“不可能”變成了現在的“一切皆有可能”(圖1)。該研究突破了現有二倍體水稻作物的育種局限，實踐了從0到1的突破性創新，為遺傳背景復雜的野生植物重新馴化提供了范例和解決方案，將引領未來作物創造，翻開生物育種新篇章。

圖1 四倍體野生稻從頭馴化創造全新作物示意圖

多倍體化是植物進化的重要機制。二倍體向多倍體的演化過程引入了新的遺傳信息，提高了遺傳多樣性，增強了植物的環境適應性和系統穩健性。研究表明，水稻染色體在經歷同源多倍化后，其抗逆性(如耐旱、耐寒及耐鹽堿等)明顯增強，而異源多倍體水稻則表現出更為強悍的抗逆性[9]。迄今為止，共27個稻屬品種被鑒定出來，分為11個顯著的基因組類型，包括6個二倍體(AA、BB、CC、EE、FF和GG)和5個異源四倍體(BBCC、CCDD、HHJJ、HHKK和KKLL)10。與栽培種相比，來源于南美的CCDD四倍體水稻的生物量較大，且對生物脅迫和非生物脅迫的抗性更強[11,12]。尋找優異野生稻種質并突破組培再生障礙是實現從頭馴化的基礎。為了獲得合適的馴化底盤材料，突破野生稻組培再生障礙，研究人員從水稻種質資源庫中收集得到28個CCDD基因型水稻，包括8個，2個和18個，系統評價了這28個品種脫分化形成愈傷的能力，篩選到再生能力相對較強的品種：(accession ID 2007-24，來源于國家野生水稻種質資源中心，南寧)，并將其命名為PPR1。研究人員進而對PPR1的遺傳轉化及組織培養方法進行了系統優化，將其轉化效率提高至80%左右，再生能力提高至40%左右，為遺傳轉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現基因操作的前提。針對PPR1異源四倍體基因組的復雜性，研究人員綜合運用單分子實時測序(single-molecule real-time sequencing)、BinoNano測序，高通量染色質構象捕獲測序(Hi-C)和Illumina short reads測序等多種測序技術和優化的組裝算法[13]，組裝完成精準度高、覆蓋范圍大、序列完整度好的高質量野生稻基因組。結果表明，PPR1含有24條染色體，基因組大小為894.6 Mb。通過對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個代表性組織進行轉錄組學分析，研究人員共發現482,997條轉錄本。其中，99,312個基因被功能注釋，99.94%的基因均勻地分布在24條染色體上。明確產量和品質等馴化性狀的靶標基因是實現從頭馴化的關鍵。該研究分析了四倍體野生稻的基因組特征和遺傳變異，對PPR1和栽培種水稻基因組進行比較基因組學分析，發現栽培種中有77.87%的基因在PPR1中存在同源基因。相較于栽培種，PPR1含有相對較多的抗性基因，擁有廣譜抗性潛力。研究人員對包括28個CCDD，6個EE和10個CC在內的共44個野生四倍體水稻進行了重測序。通過遺傳變異分析，發現CCDD品種中堿基多態性大約為0.0049，遠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量相關的馴化基因奠定了基礎。多靶點精準基因編輯技術是實現快速馴化的保障。研究人員通過比較基因組學對二倍體栽培稻中已發現的株型、花期、收獲方式等重要產量性狀的馴化基因進行了分析，鑒定了落粒基因芒長基因，綠色革命基因、，粒長基因以及理想株型基因在PPR1中的同源基因，并使用CRISPR/Cas9技術對上述基因進行編輯，獲得了含有上述基因不同突變形式的水稻材料。這些突變體表現出籽粒和梗間脫落層消失、芒長變短、株高和節間距變短，莖稈粗壯等馴化表型。通過多靶點編輯系統同時對花期相關基因、、和進行編輯, 獲得突變體材料的抽穗時間均有縮短，其中有些株系抽穗期縮短至82~92天，接近現有栽培稻。花期的優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踐為遺傳背景復雜、馴化潛力大、農業產值高的野生植物的快速馴化開辟了道路，提供了成功范例和解決方案，并為種子精準設計與未來作物創造提供了全新策略。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展。2018年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究團隊選用天然耐鹽堿和抗瘡痂病的野生醋栗番茄()為底盤材料，將產量和品質性狀精準地導入了野生番茄，消除了野生番茄開花的光周期敏感性，馴化出株型緊湊，坐果率、果實成熟一致性和收獲指數、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量和品質性狀的同時，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，并被當地人食用的作物[15]。小眾作物往往具有優良的品質或營養性狀，并可以在土壤貧瘠、高海拔高、寒旱惡劣環境中生長。比如，小眾作物燈籠果()具有優異的逆境耐受能力，豐富的營養成分和特別的風味物質。美國冷泉港實驗室的Lippman教授團隊使用基因編輯對燈籠果進行了快速馴化，改良了燈籠果的食用品質和園藝性狀，為小眾作物的快速馴化提供了范例[15]。隨著全球人口增長和環境惡化，保障食物供應一直是很多經濟不發達地區的首要問題，增加人類食譜的豐富性也是提高生活品質的重要目標，而這些小眾作物能在與其原產地相似的環境惡劣地區依然保持優質高產地生長，可見其具有著十分廣闊的應用潛力。對于我國而言，小眾作物往往極具地域特色和特殊食用或者藥用價值，對推動鄉村振興和精準扶貧具有重要意義[4]。

飛速發展的基因組編輯、合成生物學、染色體工程等現代生物技術和多維組學研究驅動的育種技術革新，在大數據、人工智能的助推下，正在開啟精準設計育種的新時代，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疑是這次浪潮中“最硬的骨頭”、“最險的關隘”之一，作物重新設計與快速馴化領域的突破和持續進展很有可能產生“第三次綠色革命”的關鍵理論和核心技術。不過我們需要清醒地認識到，仍有相當一部分野生植物無法實現組培再生和基因轉化，阻礙了基因編輯和合成生物學技術在其馴化中的應用；有相當一批野生植物存在生殖障礙、基因組不穩定等問題，這些問題的攻克必須依靠植物基礎科學研究的重大理論創新和技術突破。因此，進一步加強作物多維組學研究，鑒定更多馴化基因，收集和發掘更多優異的野生種質資源，將為作物重新設計和快速馴化提供更多靶基因和底盤材料；加強植物再生機制和基因轉化方面的研究，提高基因編輯技術的靶向效率，突破植物基因重組替換的技術瓶頸，運用合成生物學技術對作物基因信息流重編程將為從頭馴化提供保障，促進新作物創造。

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2021-02-04;

2021-02-02

許操，研究員，研究方向：小肽信號與植物發育、作物重新馴化、蛋白質相分離。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