随着世界人口的快速增长，至2050年前粮食产量需要再增加50%才能完全满足需求，因此如何进一步提高作物单产是亟待解决的严峻问题。与此同时，近年来世界气候变化加剧，全球气候变暖，极端天气频发都为粮食安全带来了巨大挑战。水稻是世界最主要的粮食作物之一，为全世界一半以上的人口提供主粮。虽然我国在水稻育种中取得了辉煌的成就，但仍然迫切需要新策略来应对未来的粮食挑战。
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了遗传多样性的大量丢失。除了二倍体栽培稻，稻属还有其它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。
2021年2月3日，中国科学院种子创新研究院、中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士带领的研究团队在Cell上发表了题为A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice 的研究长文（article），首次提出了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环境变化适应性。本项研究对未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略，开辟了全新的作物育种方向，是该领域的一项重大突破性进展，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。
李家洋院士团队提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化新策略具体分为“四个阶段”：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，其中包括三个核心点，即高质量参考基因组的绘制和基因功能注释，高效遗传转化体系，和高效基因组编辑技术体系；第三阶段，品种分子设计与快速驯化，包括重要农艺性状基因注释及基于基因组信息的品种分子设计，重要农艺性状基因的功能验证，多基因编辑及聚合，及田间综合性状评估；第四阶段，新型水稻作物推广应用。
异源四倍体野生稻的快速从头驯化
以这一策略为蓝图，该团队与合作者首先确定生物量大及胁迫抗性强的CCDD型为目标材料，共收集了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PolyPloid Rice 1(PPR1)。PPR1的生物量大，株高可达2.7米，穗长可达48厘米，叶宽可达5厘米，但它也具备典型未经过驯化的特征，如稀穗、粒小（栽培稻的1/3）、芒长(大于4厘米)等。
该策略第二阶段需要突破三个尚未突破的技术瓶颈。一是建立多倍体水稻高效的组培再生与遗传转化体系，二是建立高效精准的基因组编辑技术体系，三是建立高质量四倍体野生稻参考基因组。该团队在获得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，突破了第一个技术瓶颈；成功建立了高效的基因组编辑体系，成功实现了基因敲除、单碱基替换两种基因组编辑类型，并构建了多基因编辑体系，突破了第二个技术瓶颈；利用最新的测序技术及基因组组装策略，组装完成了首个异源四倍体水稻参考基因组，该基因组大小为894.6Mb，是栽培稻的两倍左右，共注释出了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。因此，该团队成功突破了第二阶段的全部技术瓶颈。
在此基础上，该团队进一步测试了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。该团队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，并进一步对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了基因编辑，成功创制了落粒性降低、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材料。这一系列结果最终证明该团队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要意义。
中科院种子创新研究院遗传发育所李家洋研究组余泓副研究员、林涛博士、孟祥兵副高级工程师、张静昆博士研究生，梁承志研究组的杜会龙博士为该论文的共同第一作者，余泓副研究员、梁承志研究员、高彩霞研究员、李家洋研究员为共同通讯作者。遗传发育所程祝宽研究员、陈明生研究员、田志喜研究员、王永红研究员、储成才研究员、左建儒研究员，华南农业大学刘向东教授，广东省农科院水稻研究所范芝兰研究员，广西农科院水稻研究所梁云涛研究员，中国农业科学院作物科学研究所万建民研究员，中国水稻研究所钱前研究员，中科院植物生理生态研究所韩斌研究员，阿卜杜拉国王科技大学Andrea Zuccolo与Rod A. Wing教授参与了本项工作的研究。论文得到国家自然科学基金委，中科院先导专项，国家重点研发计划及转基因专项的资助。
论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00013-1
责编 ：脱畅
