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中國科學(xué)家水稻基因研究成果發(fā)布 設(shè)計(jì)水稻不再是夢
2018-04-29 08:11:48 來源: 經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)
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  原標(biāo)題:《自然》雜志在線發(fā)表了我國科學(xué)家牽頭完成的“3010份亞洲栽培稻基因組研究”

  ——設(shè)計(jì)水稻不再是夢

  北京時(shí)間4月26日凌晨1點(diǎn),國際頂級(jí)期刊《自然》雜志在線長文報(bào)道了“3010份亞洲栽培稻基因組研究”成果。該研究由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所牽頭,聯(lián)合國際水稻研究所、上海交通大學(xué)、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、美國亞利桑那大學(xué)等16家單位共同完成。這是國內(nèi)外水稻研究專家大協(xié)作的重大成果,體現(xiàn)了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)在水稻基因組研究方面居于世界領(lǐng)先位置,擴(kuò)大了我國水稻功能基因組研究國際領(lǐng)先優(yōu)勢

  專家介紹,“3010份亞洲栽培稻基因組研究”這一重大科技成果將推動(dòng)水稻規(guī)?;虬l(fā)掘和水稻復(fù)雜性狀分子改良,提升全球水稻基因組研究和分子育種水平,加快優(yōu)質(zhì)、廣適、綠色、高產(chǎn)水稻新品種培育。為此,經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者采訪了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院有關(guān)負(fù)責(zé)人。

  掌握水稻核心種質(zhì)資源

  作為我國最重要的糧食作物,水稻的品質(zhì)和產(chǎn)量與人們生活息息相關(guān)。其中,種質(zhì)資源遺傳多樣性的利用對(duì)于育種成果影響巨大

  水稻是全球最重要的作物之一。在中國,水稻是最重要的糧食作物,國民三分之二的口糧都是水稻。尤其對(duì)于南方人來說,不吃米飯就如同沒吃飯一樣。

  改革開放以后,我國水稻科學(xué)研究取得了非常重要的進(jìn)展,包括雜交育種、傳統(tǒng)育種方法等領(lǐng)域,都取得了巨大突破。

  然而,面對(duì)氣候變化、資源短缺等新形勢,還需要不斷適應(yīng)人們對(duì)高品質(zhì)、多功能等美好生活的要求。這對(duì)水稻育種科學(xué)提出了新的要求——在傳統(tǒng)育種基礎(chǔ)上如何更加高效,做到高質(zhì)、多功能,滿足不同人群的營養(yǎng)健康需要。其中,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成為至關(guān)重要的解決方案和解決手段。

  作為此次研究成果的發(fā)起人,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所研究員黎志康表示,無論過去還是未來,育種成果都取決于我們對(duì)種質(zhì)資源遺傳多樣性的利用?!叭蚬灿?jì)保留了78萬份水稻種質(zhì)資源,如何在育種上好好利用,一直是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)?!崩柚究嫡f。

  為弄清水稻基因組中隱藏的“秘密”,2011年9月份,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合國際水稻研究所等16家單位共同啟動(dòng)了“3000份水稻基因組研究計(jì)劃”。這一研究旨在通過測序及分析建立核心種的基因型和重要農(nóng)業(yè)性狀表型數(shù)據(jù)庫,開展全基因組的關(guān)聯(lián)分析,進(jìn)而規(guī)?;l(fā)掘優(yōu)良基因,提高水稻重要農(nóng)業(yè)性狀的分子育種效率,加快高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣適新品種培育進(jìn)程,全面提升我國水稻分子育種水平。

  專家介紹,“3010份亞洲栽培稻基因組研究”所采用的3010份水稻材料,經(jīng)過了團(tuán)隊(duì)非常嚴(yán)格和精確的分層取樣。這些取樣來自于中國及南亞、東南亞等89個(gè)國家,集中在水稻多樣性的中心區(qū)域,代表了78萬份水稻種質(zhì)資源約95%的遺傳多樣性。

  該研究針對(duì)水稻起源、分類和馴化規(guī)律進(jìn)行了深入探討,揭示了亞洲栽培稻的起源和群體基因組變異結(jié)構(gòu),剖析了水稻核心種質(zhì)資源的基因組遺傳多樣性。

  黎志康認(rèn)為,此次研究成果的完成僅僅是一個(gè)開端,隨著深入分析和更多數(shù)據(jù)產(chǎn)生,包含水稻全部優(yōu)良基因多樣性的數(shù)據(jù)庫將更加龐大與精細(xì),人們可以從中找到與任何性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因,并應(yīng)用到育種實(shí)踐中。這將為開展水稻全基因組分子設(shè)計(jì)育種提供足夠的基因來源和育種親本精確選擇的遺傳信息,為培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗水稻新品種奠定基礎(chǔ)。

黎志康研究員(左)在田間指導(dǎo)水稻育種。記者 常理 攝

  探明水稻起源

  通過對(duì)大量重要進(jìn)化基因的分析,該研究首次提出了秈、粳亞種的獨(dú)立多起源假說,使中國源遠(yuǎn)流長的稻作文化得到正確認(rèn)識(shí)和傳承

  早在我國2000多年前的漢代,亞洲栽培水稻中“秈”“粳”兩大亞種已被人們所認(rèn)知。然而,秈、粳稻的起源和命名在國際上一直存有爭議。日本學(xué)者加藤茂范于1928年將“秈”“粳”稱為indica和japonica,并一直沿用至今。實(shí)際上,這兩個(gè)名字分別是拉丁語中“印度”和“日本”的意思,這錯(cuò)誤地反映了秈、粳的親緣關(guān)系、地理分布和起源。我國老一輩著名水稻專家丁穎先生把秈稻定名為秈亞種,粳稻定名為粳亞種。

  對(duì)此,“3010份亞洲栽培稻基因組研究”通過對(duì)大量重要進(jìn)化相關(guān)基因的單倍型和泛基因組分析發(fā)現(xiàn),秈稻攜帶的很多基因不存在于粳稻中,粳稻的很多基因也不存在于秈稻中。此外,不同地理來源的水稻農(nóng)家品種群體都帶有特異的基因家族。根據(jù)這些結(jié)果,該研究首次提出了秈、粳亞種的獨(dú)立多起源假說,并建議恢復(fù)使用秈、粳亞種的正確命名,使中國源遠(yuǎn)流長的稻作文化得到正確認(rèn)識(shí)和傳承。

  我國小麥基因組學(xué)專家張學(xué)勇研究員評(píng)價(jià)認(rèn)為,秈稻和粳稻是中性的名詞,不帶有明顯地域性,這應(yīng)該是全世界搞水稻、搞農(nóng)業(yè)的科學(xué)家都愿意接受的。

  此外,這一研究對(duì)亞洲栽培稻群體的結(jié)構(gòu)和分化進(jìn)行了更為細(xì)致準(zhǔn)確的描述和劃分,由傳統(tǒng)的5個(gè)群體增加到9個(gè),分別是東亞(中國)的秈稻、南亞的秈稻、東南亞的秈稻和現(xiàn)代秈稻品種等4個(gè)秈稻群體;東南亞的溫帶粳稻、熱帶粳稻、亞熱帶粳稻等3個(gè)粳稻群體;以及來自印度和孟加拉的Aus和香稻。

  為水稻基因貼“標(biāo)簽”

  該成果將極大推進(jìn)水稻功能基因組和育種科學(xué),科學(xué)家據(jù)此可以找到某個(gè)性狀的缺失具體是哪里出現(xiàn)了問題,最終精準(zhǔn)設(shè)計(jì)出水稻新品種

  很多年前,世界糧食貢獻(xiàn)獎(jiǎng)獲得者、國際水稻研究所原首席科學(xué)家?guī)焓簿吞岢隽恕霸O(shè)計(jì)水稻”的想法。如今,這一夢想正在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

  “我國近年來下大力氣開展基因組測序和功能基因組研究等工作,取得了很多專利,但是這些專利還沒辦法運(yùn)用到育種上?!崩柚究嫡f,育種專家在進(jìn)行親本雜交過程中,并不知道想要的基因在哪個(gè)親本里,或者用哪個(gè)親本來做效率比較高,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判斷。

  “3010份亞洲栽培稻基因組研究”成果為每個(gè)親本中的所有基因貼上了“標(biāo)簽”。每份親本對(duì)應(yīng)著怎樣的基因,大家從中可以一目了然,使本身抽象的基因轉(zhuǎn)化為育種專家能夠讀懂的數(shù)據(jù)。黎志康表示,此成果將極大推進(jìn)水稻功能基因組和育種科學(xué),在未來的3年到5年,將會(huì)有一大批相關(guān)成果涌現(xiàn)出來。

  數(shù)以萬計(jì)的基因是通過組合調(diào)控特定的代謝途徑,最終體現(xiàn)在作物的性狀表達(dá)之上的。黎志康打了個(gè)比方,這就好比籃球比賽,上場的5個(gè)人得配合好,各有分工,才能打出好成績。如果找5個(gè)頂尖的后衛(wèi)或者中鋒上去,都是不行的,一定要有最佳分工和搭配?;蛞彩且粯樱泻芏嗷蚬餐饔貌拍軐?dǎo)致一個(gè)作物出現(xiàn)相應(yīng)的性狀。如果影響某一代謝途徑的任何一個(gè)基因出現(xiàn)問題,那么作物該性狀的表現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)問題。

  “現(xiàn)在,通過全基因組掃描,我們可以找到特定品種某個(gè)性狀的缺失具體是由哪個(gè)或哪些基因出現(xiàn)了問題,然后從哪個(gè)親本里可以獲得所缺少的基因,再通過最佳育種手段將所需基因補(bǔ)上,就可以育成所需要的新品種。”黎志康說。

  他表示,未來,要培育高產(chǎn)高效的綠色超級(jí)稻,其育種策略必須要把種質(zhì)資源和基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)行整合,并建成基于資源組合的遺傳信息平臺(tái),使未來育種建立在大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)遺傳信息上。如此研究出的高效育種策略才能真正達(dá)到“設(shè)計(jì)育種”——即需要什么樣的品種就可以在比較短的時(shí)間內(nèi)培育出來。

  中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長劉春明說:“過去5年,在生命科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生最大的、革命性的新技術(shù)就是基因編輯,我們能夠非常有效地對(duì)基因組任何一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整改變。這套技術(shù)將完全改變農(nóng)業(yè)研究的步伐?!倍@項(xiàng)技術(shù)本身就依賴于基因組。其中,3000個(gè)基因組代表著相當(dāng)部分水稻的變異,“我們可以對(duì)變異的任何一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行修飾改變,完全按照目標(biāo)去修飾,也可以把它消除掉,這是未來基因組研究的重點(diǎn)”。劉春明說。

  對(duì)此,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長唐華俊表示,“下一步,我們要把水稻基因組研究與分子育種結(jié)合起來,盡快育成高品質(zhì)、高質(zhì)量的新品種,滿足不同人群的高品質(zhì)需要”。(記者 常理)

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【糾錯(cuò)】 責(zé)任編輯: 聶晨靜
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