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设计水稻不再是梦
北京时间4月26日凌晨1点，国际顶级期刊《自然》杂志在线长文报道了“3010份亚洲栽培稻基因组研究”成果。该研究由农业科学院作物科学研究所牵头，联合国际水稻研究所、上海交通大学、深圳农业基因组研究所、美国亚利桑那大学等16家单位共同完成。这是国内外水稻研究专家大协作的重大成果，体现了农业科学在水稻基因组研究方面居于世界领先位置，扩大了我国水稻功能基因组研究国际领先优势 专家介绍，“3010份亚洲栽培稻基因组研究”这一重大科技成果将推动水稻规模化基因发掘和水稻复杂性状分子改良，提升全球水稻基因组研究和分子育种水平，加快优质、广适、绿色、高产水稻新品种培育。为此，经济日报记者采访了农业科学院有关负责人。 掌握水稻核心种质资源 作为我国最重要的粮食作物，水稻的品质和产量与人们生活息息相关。其中，种质资源遗传多样性的利用对于育种成果影响巨大 水稻是全球最重要的作物之一。在，水稻是最重要的粮食作物，国民三分之二的口粮都是水稻。尤其对于南方人来说，不吃米饭就如同没吃饭一样。 改革开放以后，我国水稻科学研究取得了非常重要的进展，包括杂交育种、传统育种方法等领域，都取得了巨大突破。
黎志康研究员(左)在田间指导水稻育种。本报记者 常 理摄 然而，面对气候变化、资源短缺等新形势，还需要不断适应人们对高品质、多功能等美好生活的要求。这对水稻育种科学提出了新的要求——在传统育种基础上如何更加高效，做到高质、多功能，满足不同人群的营养健康需要。其中，科学技术的发展成为至关重要的解决方案和解决手段。 作为此次研究成果的发起人，农业科学院作物研究所研究员黎志康表示，无论过去还是未来，育种成果都取决于我们对种质资源遗传多样性的利用。“全球共计保留了78万份水稻种质资源，如何在育种上好好利用，一直是我们面临的巨大挑战。”黎志康说。 为弄清水稻基因组中隐藏的“秘密”，2011年9月份，农业科学院联合国际水稻研究所等16家单位共同启动了“3000份水稻基因组研究计划”。这一研究旨在通过测序及分析建立核心种的基因型和重要农业性状表型数据库，开展全基因组的关联分析，进而规模化发掘优良基因，提高水稻重要农业性状的分子育种效率，加快高产、优质、广适新品种培育进程，全面提升我国水稻分子育种水平。 专家介绍，“3010份亚洲栽培稻基因组研究”所采用的3010份水稻材料，经过了团队非常严格和精确的分层取样。这些取样来自于及南亚、东南亚等89个，集中在水稻多样性的中心区域，代表了78万份水稻种质资源约95%的遗传多样性。 该研究针对水稻起源、分类和驯化规律进行了深入探讨，揭示了亚洲栽培稻的起源和群体基因组变异结构，剖析了水稻核心种质资源的基因组遗传多样性。 黎志康认为，此次研究成果的完成仅仅是一个开端，随着深入分析和更多数据产生，包含水稻全部优良基因多样性的数据库将更加庞大与精细，人们可以从中找到与任何性状相关的关键基因，并应用到育种实践中。这将为开展水稻全基因组分子设计育种提供足够的基因来源和育种亲本精确选择的遗传信息，为培育高产、优质、多抗水稻新品种奠定基础。 探明水稻起源 通过对大量重要进化基因的分析，该研究首次提出了籼、粳亚种的独立多起源假说，使源远流长的稻作文化得到正确认识和传承 早在我国2000多年前的汉代，亚洲栽培水稻中“籼”“粳”两大亚种已被人们所认知。然而，籼、粳稻的起源和命名在国际上一直存有争议。日本学者加藤茂范于1928年将“籼”“粳”称为indica和japonica，并一直沿用至今。实际上，这两个名字分别是拉丁语中“印度”和“日本”的意思，这错误地反映了籼、粳的亲缘关系、地理分布和起源。我国老一辈著名水稻专家丁颖先生把籼稻定名为籼亚种，粳稻定名为粳亚种。 对此，“3010份亚洲栽培稻基因组研究”通过对大量重要进化相关基因的单倍型和泛基因组分析发现，籼稻携带的很多基因不存在于粳稻中，粳稻的很多基因也不存在于籼稻中。此外，不同地理来源的水稻农家品种群体都带有特异的基因家族。根据这些结果，该研究首次提出了籼、粳亚种的独立多起源假说，并建议恢复使用籼、粳亚种的正确命名，使源远流长的稻作文化得到正确认识和传承。 我国小麦基因组学专家张学勇研究员评价认为，籼稻和粳稻是中性的名词，不带有明显地域性，这应该是全世界搞水稻、搞农业的科学家都愿意接受的。 此外，这一研究对亚洲栽培稻群体的结构和分化进行了更为细致准确的描述和划分，由传统的5个群体增加到9个，分别是东亚()的籼稻、南亚的籼稻、东南亚的籼稻和现代籼稻品种等4个籼稻群体；东南亚的温带粳稻、热带粳稻、亚热带粳稻等3个粳稻群体；以及来自印度和孟加拉的Aus和香稻。 为水稻基因贴“标签” 该成果将极大推进水稻功能基因组和育种科学，科学家据此可以找到某个性状的缺失具体是哪里出现了问题，最终精准设计出水稻新品种 很多年前，世界粮食贡献奖获得者、国际水稻研究所原首席科学家库什就提出了“设计水稻”的想法。如今，这一梦想正在逐步变为现实。 “我国近年来下大力气开展基因组测序和功能基因组研究等工作，取得了很多专利，但是这些专利还没办法运用到育种上。”黎志康说，育种专家在进行亲本杂交过程中，并不知道想要的基因在哪个亲本里，或者用哪个亲本来做效率比较高，只能根据经验来判断。 “3010份亚洲栽培稻基因组研究”成果为每个亲本中的所有基因贴上了“标签”。每份亲本对应着怎样的基因，大家从中可以一目了然，使本身抽象的基因转化为育种专家能够读懂的数据。黎志康表示，此成果将极大推进水稻功能基因组和育种科学，在未来的3年到5年，将会有一大批相关成果涌现出来。 数以万计的基因是通过组合调控特定的代谢途径，最终体现在作物的性状表达之上的。黎志康打了个比方，这就好比篮球比赛，上场的5个人得配合好，各有分工，才能打出好成绩。如果找5个顶尖的后卫或者中锋上去，都是不行的，一定要有最佳分工和搭配。基因也是一样，有很多基因共同作用才能导致一个作物出现相应的性状。如果影响某一代谢途径的任何一个基因出现问题，那么作物该性状的表现就会出现问题。 “现在，通过全基因组扫描，我们可以找到特定品种某个性状的缺失具体是由哪个或哪些基因出现了问题，然后从哪个亲本里可以获得所缺少的基因，再通过最佳育种手段将所需基因补上，就可以育成所需要的新品种。”黎志康说。 他表示，未来，要培育高产高效的绿色超级稻，其育种策略必须要把种质资源和基因组学技术进行整合，并建成基于资源组合的遗传信息平台，使未来育种建立在大数据的精准遗传信息上。如此研究出的高效育种策略才能真正达到“设计育种”——即需要什么样的品种就可以在比较短的时间内培育出来。 农业科学院作物科学研究所所长刘春明说：“过去5年，在生命科学领域产生最大的、革命性的新技术就是基因编辑，我们能够非常有效地对基因组任何一个点位进行调整改变。这套技术将完全改变农业研究的步伐。”而这项技术本身就依赖于基因组。其中，3000个基因组代表着相当部分水稻的变异，“我们可以对变异的任何一个点位进行修饰改变，完全按照目标去修饰，也可以把它消除掉，这是未来基因组研究的重点”。刘春明说。 对此，农业科学院院长唐华俊表示，“下一步，我们要把水稻基因组研究与分子育种结合起来，尽快育成高品质、高质量的新品种，满足不同人群的高品质需要”。 |
