李家洋團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室里檢查水稻長(zhǎng)勢(shì)。按計(jì)劃，今年9月，在北京試種的野生稻就要收獲。
王之康攝
李家洋院士在察看野生稻。他敏銳的科研眼光和帶領(lǐng)整合科研力量的出色能力，是項(xiàng)目推進(jìn)的關(guān)鍵。
中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所供圖
“今年5月，我們的水稻材料就要在北京實(shí)驗(yàn)田里試種了，未來(lái)有望推廣到更多地方。”說(shuō)起手頭的工作，余泓眼睛里都是喜悅。
余泓是中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)的一員。他說(shuō)的水稻材料，是該團(tuán)隊(duì)快速?gòu)念^馴化的全新水稻品種。去年初，這一成果發(fā)表在科學(xué)期刊《細(xì)胞》上，被業(yè)界認(rèn)為有望開(kāi)辟一條野生植物馴化新路。
實(shí)現(xiàn)水稻育種從“0”到“1”的重要突破
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。水稻是全球一半左右人口的主糧，往前溯源，它們的祖先都是7000到1萬(wàn)年前的二倍體（含有兩個(gè)染色體組）野生稻，經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)馴化，成為當(dāng)前栽培的水稻。
過(guò)去，科學(xué)家在二倍體栽培稻的基礎(chǔ)上，培育出了一系列優(yōu)異的水稻品種。然而，除了二倍體栽培稻，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類二倍體基因組和5類四倍體基因組。其中，CCDD基因組異源四倍體野生稻，是將兩套基因組水稻的完整二倍體染色體進(jìn)行了融合，有天然的雜種優(yōu)勢(shì)，還具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。
如何在異源四倍體野生稻基礎(chǔ)上從頭馴化一種全新的水稻？李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，瞄準(zhǔn)這一新領(lǐng)域，希望培育出產(chǎn)量高、環(huán)境適應(yīng)好的新水稻。
雖然異源四倍體野生稻種質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)明顯，馴化潛力和開(kāi)發(fā)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(wú)法適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
受株型、花期、育性等影響，野生稻通過(guò)實(shí)驗(yàn)室馴化、改良也面臨重重困難。經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，李家洋團(tuán)隊(duì)提出了異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化策略，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了世界首例重新設(shè)計(jì)與快速馴化的四倍體水稻材料。這被稱為水稻育種從“0”到“1”的重要突破。
具體來(lái)說(shuō)，馴化策略分為四個(gè)階段。在第一階段，該團(tuán)隊(duì)與同行合作，收集了28份異源四倍體野生稻資源。通過(guò)深入研究，篩選出一份高稈野生稻資源，并將其命名為多倍體水稻1號(hào)。在第二階段，團(tuán)隊(duì)建立了野生稻快速?gòu)念^馴化技術(shù)體系。在第三階段，進(jìn)行品種分子設(shè)計(jì)與快速馴化；第四階段則是推廣應(yīng)用。
經(jīng)過(guò)對(duì)多倍體水稻1號(hào)中同源基因進(jìn)行編輯，團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長(zhǎng)變短、株高降低、粒型變長(zhǎng)、莖稈變粗、抽穗時(shí)間縮短的各種基因編輯材料。這項(xiàng)工作證明，從頭馴化四倍體野生稻在策略上是可行的。
李家洋介紹，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用5至10年完成示范材料。之后，再用5年左右培育可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高抗高效新水稻作物。“應(yīng)用這一新方法，水稻從頭馴化可能縮短到幾十年甚至幾年。”李家洋表示。
為野生植物重新馴化提供了解決方案
經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的馴化，野生植物中一些符合人類需求的性狀被保留下來(lái)，作物的產(chǎn)量更高了，適用種植范圍更廣了，但這一過(guò)程也造成了遺傳多樣性的大量減少和一些重要基因資源的丟失。
“營(yíng)養(yǎng)不夠多施肥，生病了靠打藥，久而久之，農(nóng)作物很多基因就丟失了，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力隨之下降。”李家洋告訴記者，目前農(nóng)作物品種更新很快，一些種質(zhì)資源缺失后就再也找不回來(lái)了。
與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中多樣化品種小規(guī)模種植不同，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)追求高產(chǎn)，品種的單一化、同質(zhì)化種植，在削弱了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性的同時(shí)，還易引發(fā)土壤、水污染等問(wèn)題。
多倍體化是植物最重要的進(jìn)化事件之一。業(yè)內(nèi)專家表示，二倍體向多倍體演化過(guò)程引入了新的遺傳信息，這一馴化策略有利于保護(hù)生物多樣性。由于在作物育種上的貢獻(xiàn)，“異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化獲得新突破”入選2021年度中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。
這項(xiàng)研究的價(jià)值不僅在于水稻領(lǐng)域，還對(duì)其他植物的快速馴化提供了技術(shù)路線參考。李家洋說(shuō)，實(shí)踐證明異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化策略可行，其重要意義在于，它也為遺傳背景復(fù)雜的野生植物重新馴化提供了范例和解決方案。
我國(guó)人多地少，吃飯問(wèn)題始終是頭等大事。業(yè)內(nèi)專家表示，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)，對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要的意義。
據(jù)介紹，無(wú)論小麥、燕麥等糧食作物，還是煙草、棉花等經(jīng)濟(jì)作物，許多重要作物都是異源多倍體，它們大多數(shù)是天然的異源多倍體物種。但人工誘導(dǎo)異源多倍體作物挑戰(zhàn)重重，由于時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)大量的人力物力，許多有價(jià)值的種質(zhì)資源沒(méi)有得到充分利用。李家洋團(tuán)隊(duì)提出的策略，極大壓縮了作物馴化時(shí)間，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值高、遺傳背景復(fù)雜、馴化潛力大的野生植物的快速馴化提供了思路。
未來(lái)，科學(xué)家們還將做進(jìn)一步的研究，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，從頭馴化更多新作物。
突破源于科研人員的長(zhǎng)期堅(jiān)持與深厚積累
2015年，李家洋團(tuán)隊(duì)全面啟動(dòng)四倍體野生稻研究工作，但相關(guān)準(zhǔn)備工作很早就開(kāi)始醞釀。李家洋團(tuán)隊(duì)一直在探索使用新的遺傳學(xué)育種方法，水稻只是諸多作物中的一種。
“我們研究的推進(jìn)，得益于現(xiàn)代生物技術(shù)的成熟。”李家洋解釋說(shuō)，基因組測(cè)序組裝、基因組編輯、合成生物學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，讓之前做不了或者做起來(lái)效率很低的工作變成可能。
11年前，余泓加入李家洋團(tuán)隊(duì)。除了參與每階段具體科研任務(wù)，他還承擔(dān)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)、溝通工作，見(jiàn)證了研究工作從“0”到“1”的每一步。
“基礎(chǔ)科研從來(lái)不會(huì)保證產(chǎn)出，每一個(gè)階段都可能遇到瓶頸，讓整個(gè)研究走不下去。”余泓表示，“團(tuán)隊(duì)自始至終都是在壓力下前行。”
在整個(gè)馴化策略階段，李家洋團(tuán)隊(duì)遇到了許多棘手難題。比如，在收集到的四倍體野生稻資源中，到底哪個(gè)最有可能成為底盤(pán)種質(zhì)資源？能不能獲得再生能力好的苗？為此，科研人員做了大量的篩選工作。又如，現(xiàn)有栽培稻遺傳轉(zhuǎn)化方法對(duì)野生稻無(wú)法適用，科研人員為此建立了野生稻高效遺傳轉(zhuǎn)化體系；在基因組的繪制和基因功能注釋上，團(tuán)隊(duì)也做了很細(xì)致的處理……攻克這些難題，耗時(shí)短的也要一年左右。
項(xiàng)目推進(jìn)的6年多時(shí)間，團(tuán)隊(duì)沒(méi)有就相關(guān)研究成果發(fā)表過(guò)一篇文章。“我們的一些階段進(jìn)展，其實(shí)足夠發(fā)文章。中間沒(méi)有發(fā)表論文是為了完整驗(yàn)證從頭馴化四倍體野生稻的可行性，得出一個(gè)真正有價(jià)值的結(jié)論。事實(shí)證明，我們得到了理想的結(jié)果。”余泓說(shuō)。
余泓告訴記者，根據(jù)研究階段的需求，團(tuán)隊(duì)會(huì)吸納不同專長(zhǎng)的科學(xué)家參與進(jìn)來(lái)，這項(xiàng)成果是在科研人員的緊密合作、學(xué)科交叉融合基礎(chǔ)上取得的。
“我們的執(zhí)著得到了回報(bào)。”余泓說(shuō)，參照成熟的路徑去研究，過(guò)程相對(duì)容易，產(chǎn)出也有保障，但很難有原創(chuàng)性。面向未知的探索，才能帶來(lái)較高的回報(bào)。“團(tuán)隊(duì)做出這項(xiàng)突破，源于科研人員的長(zhǎng)期堅(jiān)持與深厚的積累。一些技術(shù)得以突破，背后是十幾年的鉆研。”
按計(jì)劃，今年9月，在北京試種的野生稻就要收獲。“我們團(tuán)隊(duì)都在期待一個(gè)好結(jié)果。”余泓說(shuō)。
