我国科学家全球首次证实异源四倍体野生稻快速从头驯化新策略

近日,中国科学院种子创新研究院、中国科学院遗传与发育生物学研究所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。本项研究为未来粮食危机应对提出了一种新的可行策略,开辟了全新的作物育种方向,是该领域的一项重大突破性进展,未来四倍体水稻新作物的成功培育有望对世界粮食生产带来颠覆性的革命。这一研究成果于2月4日在国际学术期刊《细胞》发表。

随着世界人口的快速增长,至2050年前粮食产量需要再增加50%才能完全满足需求。如何进一步提高作物单产是亟待解决的严峻问题。与此同时,近年来世界气候变化加剧,全球气候变暖,极端天气频发都为粮食安全带来了巨大挑战。水稻是世界最主要的粮食作物之一,为全世界一半以上的人口提供主粮。虽然我国在水稻育种中取得了辉煌的成就,但仍然迫切需要新策略来应对未来的粮食挑战。

当前的栽培稻是从祖先二倍体野生稻经过数千年的人工驯化而来,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大量丢失。除了二倍体栽培稻,稻属还有其它25种野生植物,按照基因组特征又可以分成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、自带杂种优势、环境适应能力强等优势,但同时也具有非驯化特征,无法进行农业生产。

为攻克创制多倍体水稻新作物的难题,李家洋院士所带领的研究团队首次提出异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略,并分为了“四个阶段”:第一阶段,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,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,和高效基因组编辑技术体系;第三阶段,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,及田间综合性状评估;第四阶段,新型水稻作物推广应用。


图为异源四倍体野生稻的快速从头驯化

最终,该团队实现材料收集,攻破技术瓶颈,成功创制了落粒性降低、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源四倍体野生稻材料,证明该团队提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化策略高度可行,对未来创制培育新的作物种类具有重要意义。

2021年2月4日,《细胞》杂志以Article形式发表题目为“A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice”的文章报道了这一成果(DOI:10.1016/j.cell.2021.01.013)。

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