中国科学院院士、中科院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋团队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作物环境变化适应性。该研究为应对未来粮食危机提出了一种新的可行策略，开辟了新的作物育种方向，是该领域的重大进展。在未来，成功培育四倍体水稻新作物有望对世界粮食生产带来重大影响。
随着世界人口的快速增长，到2050年前，粮食产量需再增加50%才能够完全满足需求，如何进一步提高作物单产是亟待解决的问题；近年来，世界气候变化加剧、全球气候变暖、极端天气频发给粮食安全带来了挑战。水稻是世界上最主要的粮食作物之一，为众多人口提供主粮。虽然我国在水稻育种中已取得了辉煌的成就，但仍迫切需要新策略以应对未来的粮食挑战。
当前的栽培稻从祖先二倍体野生稻经过长时间的人工驯化而来，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丢失。除二倍体栽培稻之外，稻属还有25种其他野生植物，按照基因组特征又可分成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、环境适应能力强等优势，但也具有非驯化特征，无法进行农业生产。
为解决创制多倍体水稻新作物的难题，李家洋团队首次提出异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，并分为“四个阶段”：第一阶段是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；第二阶段是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、高效基因组编辑技术体系；第三阶段是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、田间综合性状评估；第四阶段是新型水稻作物推广应用。
以上述策略为蓝图，研究团队与合作者通过对生物量大、胁迫抗性强的CCDD型异源四倍体野生稻资源进行筛选，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）。研究人员解决了多倍体水稻组培再生与遗传转化体系、高效精准的基因组编辑技术体系、高质量四倍体野生稻参考基因组等技术难题。在此基础上，进一步注释了驯化基因及农艺性状基因，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组编辑，创制出落粒性降低、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。研究结果证明了该团队提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化策略具有可行性，对未来创制培育新的作物种类从而保障粮食安全具有重要意义。
2月4日，相关研究成果以A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice（DOI:10.1016/j.cell.2021.01.013）为题，发表在《细胞》上。李家洋研究组副研究员余泓、博士后林涛、高级工程师孟祥兵、博士研究生张静昆，遗传发育所研究员梁承志课题组博士杜会龙为论文的共同第一作者，余泓、梁承志、遗传发育所研究员高彩霞、李家洋为论文的共同通讯作者。遗传发育所研究员程祝宽、陈明生、田志喜、王永红、储成才、左建儒，华南农业大学教授刘向东，广东省农科院水稻研究所研究员范芝兰，广西农科院水稻研究所研究员梁云涛，中国农业科学院作物科学研究所研究员万建民，中国水稻研究所研究员钱前，中科院分子植物科学卓越创新中心（植物生理生态研究所）研究员韩斌，阿卜杜拉国王科技大学博士Andrea Zuccolo和教授Rod A. Wing参与了该研究。研究工作得到国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划及转基因专项的支持。
异源四倍体野生稻的快速从头驯化
日期：2021-02-05
