中科院李家洋院士團隊創製世界首例重新設計與(yu) 快速馴化的四倍體(ti) 水稻材料——

　　開辟水稻育種新途徑(科技視點·種業(ye) 科技自立自強②)

　　本報記者 喻思南 《 人民日報 》( 2022年04月18日 第 19 版)

　　“今年5月，我們(men) 的水稻材料就要在北京實驗田裏試種了，未來有望推廣到更多地方。”說起手頭的工作，餘(yu) 泓眼睛裏都是喜悅。

　　餘(yu) 泓是中科院遺傳(chuan) 與(yu) 發育生物學研究所李家洋院士團隊的一員。他說的水稻材料，是該團隊快速從(cong) 頭馴化的全新水稻品種。去年初，這一成果發表在科學期刊《細胞》上，被業(ye) 界認為(wei) 有望開辟一條野生植物馴化新路。

　　實現水稻育種從(cong) “0”到“1”的重要突破

　　農(nong) 作物的栽培與(yu) 人工馴化是農(nong) 業(ye) 文明起源的重要標誌。水稻是全球一半左右人口的主糧，往前溯源，它們(men) 的祖先都是7000到1萬(wan) 年前的二倍體(ti) (含有兩(liang) 個(ge) 染色體(ti) 組)野生稻，經過了漫長馴化，成為(wei) 當前栽培的水稻。

　　過去，科學家在二倍體(ti) 栽培稻的基礎上，培育出了一係列優(you) 異的水稻品種。然而，除了二倍體(ti) 栽培稻，稻屬還有其他20多種野生植物，按照基因組特征又可以分成11類，包括6類二倍體(ti) 基因組和5類四倍體(ti) 基因組。其中，CCDD基因組異源四倍體(ti) 野生稻，是將兩(liang) 套基因組水稻的完整二倍體(ti) 染色體(ti) 進行了融合，有天然的雜種優(you) 勢，還具有環境適應能力強等優(you) 勢。

　　如何在異源四倍體(ti) 野生稻基礎上從(cong) 頭馴化一種全新的水稻？李家洋帶領團隊，瞄準這一新領域，希望培育出產(chan) 量高、環境適應好的新水稻。

　　雖然異源四倍體(ti) 野生稻種質資源優(you) 勢明顯，馴化潛力和開發空間大，但它存在一些不足，如種粒小、易脫落、花期短等，這些缺陷使其無法適應農(nong) 業(ye) 生產(chan) 。

　　受株型、花期、育性等影響，野生稻通過實驗室馴化、改良也麵臨(lin) 重重困難。經過多年攻關(guan) ，李家洋團隊提出了異源四倍體(ti) 野生稻快速從(cong) 頭馴化策略，帶領團隊創製了世界首例重新設計與(yu) 快速馴化的四倍體(ti) 水稻材料。這被稱為(wei) 水稻育種從(cong) “0”到“1”的重要突破。

　　具體(ti) 來說，馴化策略分為(wei) 四個(ge) 階段。在第一階段，該團隊與(yu) 同行合作，收集了28份異源四倍體(ti) 野生稻資源。通過深入研究，篩選出一份高稈野生稻資源，並將其命名為(wei) 多倍體(ti) 水稻1號。在第二階段，團隊建立了野生稻快速從(cong) 頭馴化技術體(ti) 係。在第三階段，進行品種分子設計與(yu) 快速馴化；第四階段則是推廣應用。

　　經過對多倍體(ti) 水稻1號中同源基因進行編輯，團隊成功創製了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒型變長、莖稈變粗、抽穗時間縮短的各種基因編輯材料。這項工作證明，從(cong) 頭馴化四倍體(ti) 野生稻在策略上是可行的。

　　李家洋介紹，團隊計劃用5至10年完成示範材料。之後，再用5年左右培育可用於(yu) 農(nong) 業(ye) 生產(chan) 的高產(chan) 優(you) 質高抗高效新水稻作物。“應用這一新方法，水稻從(cong) 頭馴化可能縮短到幾十年甚至幾年。”李家洋表示。

　　為(wei) 野生植物重新馴化提供了解決(jue) 方案

　　經過漫長的馴化，野生植物中一些符合人類需求的性狀被保留下來，作物的產(chan) 量更高了，適用種植範圍更廣了，但這一過程也造成了遺傳(chuan) 多樣性的大量減少和一些重要基因資源的丟(diu) 失。

　　“營養(yang) 不夠多施肥，生病了靠打藥，久而久之，農(nong) 作物很多基因就丟(diu) 失了，對環境的適應能力隨之下降。”李家洋告訴記者，目前農(nong) 作物品種更新很快，一些種質資源缺失後就再也找不回來了。

　　與(yu) 傳(chuan) 統農(nong) 業(ye) 中多樣化品種小規模種植不同，現代農(nong) 業(ye) 追求高產(chan) ，品種的單一化、同質化種植，在削弱了農(nong) 業(ye) 生態係統多樣性的同時，還易引發土壤、水汙染等問題。

　　多倍體(ti) 化是植物最重要的進化事件之一。業(ye) 內(nei) 專(zhuan) 家表示，二倍體(ti) 向多倍體(ti) 演化過程引入了新的遺傳(chuan) 信息，這一馴化策略有利於(yu) 保護生物多樣性。由於(yu) 在作物育種上的貢獻，“異源四倍體(ti) 野生稻快速從(cong) 頭馴化獲得新突破”入選2021年度中國十大科技進展新聞。

　　這項研究的價(jia) 值不僅(jin) 在於(yu) 水稻領域，還對其他植物的快速馴化提供了技術路線參考。李家洋說，實踐證明異源四倍體(ti) 野生稻快速從(cong) 頭馴化策略可行，其重要意義(yi) 在於(yu) ，它也為(wei) 遺傳(chuan) 背景複雜的野生植物重新馴化提供了範例和解決(jue) 方案。

　　我國人多地少，吃飯問題始終是頭等大事。業(ye) 內(nei) 專(zhuan) 家表示，突破現有作物改良局限和技術瓶頸，創造符合我國國情、農(nong) 情的全新作物，引領種子精準設計，對保障我國糧食安全具有重要的意義(yi) 。

　　據介紹，無論小麥、燕麥等糧食作物，還是煙草、棉花等經濟作物，許多重要作物都是異源多倍體(ti) ，它們(men) 大多數是天然的異源多倍體(ti) 物種。但人工誘導異源多倍體(ti) 作物挑戰重重，由於(yu) 時間長、耗費大量的人力物力，許多有價(jia) 值的種質資源沒有得到充分利用。李家洋團隊提出的策略，極大壓縮了作物馴化時間，為(wei) 農(nong) 業(ye) 產(chan) 值高、遺傳(chuan) 背景複雜、馴化潛力大的野生植物的快速馴化提供了思路。

　　未來，科學家們(men) 還將做進一步的研究，依靠植物基礎科學研究的重大理論創新和技術突破，從(cong) 頭馴化更多新作物。

　　突破源於(yu) 科研人員的長期堅持與(yu) 深厚積累

　　2015年，李家洋團隊全麵啟動四倍體(ti) 野生稻研究工作，但相關(guan) 準備工作很早就開始醞釀。李家洋團隊一直在探索使用新的遺傳(chuan) 學育種方法，水稻隻是諸多作物中的一種。

　　“我們(men) 研究的推進，得益於(yu) 現代生物技術的成熟。”李家洋解釋說，基因組測序組裝、基因組編輯、合成生物學等技術的發展，讓之前做不了或者做起來效率很低的工作變成可能。

　　11年前，餘(yu) 泓加入李家洋團隊。除了參與(yu) 每階段具體(ti) 科研任務，他還承擔團隊協調、溝通工作，見證了研究工作從(cong) “0”到“1”的每一步。

　　“基礎科研從(cong) 來不會(hui) 保證產(chan) 出，每一個(ge) 階段都可能遇到瓶頸，讓整個(ge) 研究走不下去。”餘(yu) 泓表示，“團隊自始至終都是在壓力下前行。”

　　在整個(ge) 馴化策略階段，李家洋團隊遇到了許多棘手難題。比如，在收集到的四倍體(ti) 野生稻資源中，到底哪個(ge) 最有可能成為(wei) 底盤種質資源？能不能獲得再生能力好的苗？為(wei) 此，科研人員做了大量的篩選工作。又如，現有栽培稻遺傳(chuan) 轉化方法對野生稻無法適用，科研人員為(wei) 此建立了野生稻高效遺傳(chuan) 轉化體(ti) 係；在基因組的繪製和基因功能注釋上，團隊也做了很細致的處理……攻克這些難題，耗時短的也要一年左右。

　　項目推進的6年多時間，團隊沒有就相關(guan) 研究成果發表過一篇文章。“我們(men) 的一些階段進展，其實足夠發文章。中間沒有發表論文是為(wei) 了完整驗證從(cong) 頭馴化四倍體(ti) 野生稻的可行性，得出一個(ge) 真正有價(jia) 值的結論。事實證明，我們(men) 得到了理想的結果。”餘(yu) 泓說。

　　餘(yu) 泓告訴記者，根據研究階段的需求，團隊會(hui) 吸納不同專(zhuan) 長的科學家參與(yu) 進來，這項成果是在科研人員的緊密合作、學科交叉融合基礎上取得的。

　　“我們(men) 的執著得到了回報。”餘(yu) 泓說，參照成熟的路徑去研究，過程相對容易，產(chan) 出也有保障，但很難有原創性。麵向未知的探索，才能帶來較高的回報。“團隊做出這項突破，源於(yu) 科研人員的長期堅持與(yu) 深厚的積累。一些技術得以突破，背後是十幾年的鑽研。”

　　按計劃，今年9月，在北京試種的野生稻就要收獲。“我們(men) 團隊都在期待一個(ge) 好結果。”餘(yu) 泓說。