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开启水稻精准化育种大门,水稻育种走向分子设

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开启水稻精准化育种大门,水稻育种走向分子设

本报记者 李禾

北京时间4月26日凌晨一点,国际顶级期刊《自然》杂志在线长文报导了“3010份亚洲栽培稻基因组研究”成果。该研究由中国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、华大基因、深圳农业基因组研究所、安徽农业大学、美国亚利桑那大学等16家单位共同完成。 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。 日前,《经济日报》记者针对这一重大科研成果采访了农科院有关负责人。图片 1 掌握水稻核心种质资源 水稻是全球最重要的作物之一。在中国,水稻是最重要的粮食作物,三分之二的口粮都是水稻。尤其是南方人,不吃米饭就像没吃饭。 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、传统育种方法等都取得了巨大突破。 但是,面对气候变化、资源短缺等新形势,还需要适应人们对高品质、多功能等更加美好生活的要求。因此,这对水稻育种科学提出了新的要求,在传统育种的基础上,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。科学技术的发展成为非常重要的解决方案和解决手段。 作为此次研究成果的发起人,中国农科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。“全球一共保留了78万份水稻种质资源,如何在育种上利用它一直是我们面临的巨大挑战。” 为了弄清水稻基因组中隐藏的“秘密”,2011年9月,中国农业科学院、国际水稻研究所和华大基因等16家单位共同启动了“3000份水稻基因组研究计划”。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、广适新品种培育的进程,全面提升我国水稻分子育种水平。 据悉, “3010份亚洲栽培稻基因组研究”所用的3010份水稻材料,是团队经过非常很严格和精确的分层取样,取样来自于中国及南亚、东南亚等89个国家,集中在水稻的多样性的中心区域,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,随着分析的深入和更多数据的产生,包含水稻全部优良基因多样性的数据库必将更加庞大与精细,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 在我国,亚洲栽培水稻中“籼”、“粳”两大亚种早在2000多年前的汉代已被人们所认知,但籼、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的“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。我国老一辈着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。 “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,使中国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,不带有明显的地域性,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,研究对亚洲栽培稻群体的结构和分化进行了更为细致和准确的描述和划分,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。 设计水稻不是梦 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曾在很多年前,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。 “我国近些年下大力度进行参考基因组测序和功能基因组等工作,取得了很多专利,但是这些专利并没法运用到育种上。”黎志康说,育种家在进行亲本杂交的过程中,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”成果为每一个亲本中的所有基因贴上了“标签”,每一份亲本对应着怎样的基因一目了然,使本身抽象的基因转化为育种家能读懂的数据。黎志康表示,此成果将极大地推进水稻功能基因组和育种科学,在未来的3到5年,将会由一大批的相关成果涌现出来。 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,这就好比打篮球比赛,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,一定要是最佳分工和搭配。基因也是一样,有很多基因共同作用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产生问题。“现在,我们通过全基因组扫描,可以找到特定品种某个性状的缺失具体是由于哪个或那些基因出现了问题,然后从哪个亲本里可以获得所缺少的基因,再通过最佳的育种手段将所需的基因补上,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,其育种策略就必须把种质资源和基因组学技术进行整合,基于资源组合的遗传信息平台,使将来的育种建立在大数据的精准遗传信息上,研究高效的育种策略,真正达到“设计育种”,需要什么样的品种就可以在比较短的时间内培育需要的品种。 中国农科院作科所所长刘春明说,过去五年,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位点进行调整改变。这套技术将完全改变农业研究的步伐。这项技术本身依赖于基因组。如果没有基因组,这个工作就做不到。3000个基因组代表着水稻相当部分水稻的变异,我们可以对变异的任何一个位点进行修饰改变,完全按照我们需要的目标去修饰,也可以把它敲除掉,这是未来基因组研究的中的重点。 中国农业科学院院长唐华俊表示,下一步,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,满足不同人群的需要。

编者按:一篇由中国科学家主导完成的Nature长文首次出现了7位通讯作者和12位共同第一作者,某种程度上可以说是“史无前例”。然而更重要的是,该研究通过对3010份水稻基因组的分析提出亚洲栽培水稻起源的新观点并恢复命名,90年前由日本学者对“籼”、“粳”稻分别命名的indica(Oryza sativa L. subsp. indica Kato)和japonica(Oryza sativa L. subsp. japonica Kato)终于恢复为“籼”(Oryza sativa subsp. xian)、“粳”(Oryza sativa subsp. geng)亚种的正确命名,使中国源远流长的稻作文化得到正确认识和传承。同时,我们也欣喜的看到该Nature论文的正文中还出现了“籼”和“粳”的汉字,这些成绩离不开中国一代又一代水稻专家的努力,让我们为他们点赞!

未来的水稻将会怎样育种?也许“3000份水稻基因组”研究项目能告诉我们。

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“3000份水稻基因组”研究是由中国主导的国际间科研大协作项目,近日《自然》杂志发表项目组重大成果。项目组成员、论文第一作者、中国农业科学院作物科学研究所副研究员王文生在接受科技日报记者专访时表示,项目建立了基于水稻基因组信息的数据库和应用平台,将提升规模化优良基因发掘和水稻分子育种效率,开启了“后基因组时代的水稻设计育种”,实现传统“经验育种”向现代“精准育种”的跃升。

水稻是全世界最重要的粮食作物之一,培育高产、优质、多抗的水稻新品种具有重要的意义。目前,水稻功能基因组研究已经取得了巨大进展,然而如何将相关研究成果转化为育种家所能利用的分子设计育种信息,则必须对水稻种质资源的基因组信息进行充分了解。2011年9月,中国农业科学院、国际水稻研究所和华大基因在深圳共同启动“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”(3K Rice Genome Project),拉开了水稻核心种质资源全基因组测序和基因组分析的序幕。该项目对水稻种质资源进行大规模的基因组重测序和大数据分析,规模化发掘优良基因,突破水稻复杂性状分子改良的技术瓶颈,加快高产、优质、广适性新品种培育的进程,对基于全基因组信息的水稻分子设计育种具有重大的理论和实践意义。

代表78万份水稻95%以上遗传多样性

2018年4月25日,由中国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、华大基因、深圳农业基因组研究所、安徽农业大学、美国亚利桑那大学等16家单位共同在国际顶级期刊Nature杂志以长文形式发表了题为“Genomic variation in 3,010 diverse accessions of Asian cultivated rice”的研究论文。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。这一重大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。

作为目前植物界最大的基因组测序工程,项目组对亚洲栽培稻群体进行了当今最为精细的种群分类,揭示了水稻种内丰富的群体结构和遗传多样性,构建了全球首个接近完整、高质量的亚洲栽培稻的泛基因组,发现了1.2万个水稻新基因,为水稻分子设计育种提供了新基因资源。

该研究揭示了水稻种内丰富的遗传多样性,有助于从传统“经验育种”向现代“精准育种”跃升。本研究中,3010份水稻代表了全球78万份水稻种质资源约95%的遗传多样性。通过对这些种质的研究,检测到32M的高质量SNPs和Indels,对亚洲栽培稻群体的结构和分化进行了更为细致和准确的描述和划分,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;首次揭示了亚洲栽培稻品种间存在的大量微细结构变异;构建了亚洲栽培稻的泛基因组,包括12770个基因家族和9050个分散式基因家族。发现了1.2万个全长新基因。核心基因比较古老,大多数的新基因表现更年轻和长度偏短。进一步对3010份水稻基因组的分析将产生更多数据,可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。

水稻是我国的主要粮食作物,我国水稻遗传育种水平一直走在世界前列。不过,面对气候变化、资源短缺以及供给侧改革的新形势,传统育种方法难以满足对资源节约型、环境友好型育种模式的技术需求。因此,对水稻核心种质资源进行大规模测序分析,挖掘基因组变异和优良基因等,对持续培育突破性水稻新品种具有重大的理论和战略意义。

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于是,在2011年9月,中国农业科学院、国际水稻研究所和华大基因共同启动了“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”,拉开了水稻核心种质资源全基因组测序和基因组分析的序幕。这3000份材料的取样并非是随意的,而是经过严格的分层取样,来源于全球89个国家。也就是说,这代表了78万份水稻的3000份样本,体现了95%以上的遗传多样性。

Summary of SVs for the 453 high-coverage rice accessions.

论文的共同第一作者、华大基因高级信息分析师太帅帅说,经过长达850天的持续努力,共产生17T(1T等于1024G)的测序原始数据;发现了蕴藏在水稻种质资源中巨量的自然多态性变异,其中包括2900万个单核苷酸多态性、250万个插入缺失标记和9万个结构变异。

本研究提出亚洲栽培水稻起源的新观点并恢复命名。在我国,亚洲栽培水稻中“籼”、“粳”两大亚种早在2000多年前的汉代已被人们所认知,但籼、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(Oryza sativa L. subsp. indica Kato)和japonica(Oryza sativa L. subsp. japonica Kato),并一直沿用至今。从拉丁文标注可以看出,两个亚种用“印度”和“日本”来命名,带有很深的殖民主义烙印,也错误地反映了籼、粳的亲缘关系、地理分布和起源。我国老一辈着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(O. sativa L. subsp. keng Ting)。在维基百科中( E7

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