北京時間4月26日凌晨一點，國際頂級期刊《自然》雜志在線長文報導(dǎo)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)、華大基因、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)、美國亞利桑那大學(xué)等16家單位共同完成。
這一重大科技成果將推動水稻規(guī)模化基因發(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。
日前，《經(jīng)濟日報》記者針對這一重大科研成果采訪了農(nóng)科院有關(guān)負責人。
掌握水稻核心種質(zhì)資源
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，三分之二的口糧都是水稻。尤其是南方人，不吃米飯就像沒吃飯。
改革開放以后，我國水稻科學(xué)研究取得了非常重要的進展，包括雜交育種、傳統(tǒng)育種方法等都取得了巨大突破。
但是，面對氣候變化、資源短缺等新形勢，還需要適應(yīng)人們對高品質(zhì)、多功能等更加美好生活的要求。因此，這對水稻育種科學(xué)提出了新的要求，在傳統(tǒng)育種的基礎(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。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成為非常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)科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種質(zhì)資源遺傳多樣性的利用。“全球一共保留了78萬份水稻種質(zhì)資源，如何在育種上利用它一直是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。”
為了弄清水稻基因組中隱藏的“秘密”，2011年9月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、國際水稻研究所和華大基因等16家單位共同啟動了“3000份水稻基因組研究計劃”。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，進而規(guī)模化發(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)、廣適新品種培育的進程，全面提升我國水稻分子育種水平。
據(jù)悉， “3010份亞洲栽培稻基因組研究”所用的3010份水稻材料，是團隊經(jīng)過非常很嚴格和精確的分層取樣，取樣來自于中國及南亞、東南亞等89個國家，集中在水稻的多樣性的中心區(qū)域，代表了78萬份水稻種質(zhì)資源約95%的遺傳多樣性。
該研究針對水稻起源、分類和馴化規(guī)律進行了深入探討，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。
黎志康認為，此次研究成果的完成僅僅是一個開端，隨著分析的深入和更多數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，包含水稻全部優(yōu)良基因多樣性的數(shù)據(jù)庫必將更加龐大與精細，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)用到育種實踐中。這將為開展水稻全基因組分子設(shè)計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)。
探明水稻起源
在我國，亞洲栽培水稻中“秈”、“粳”兩大亞種早在2000多年前的漢代已被人們所認知，但秈、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。實際上，這兩個名字分別是拉丁語中的“印度”和“日本”的意思，這錯誤地反映了秈、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。
“3010份亞洲栽培稻基因組研究”通過對大量重要進化相關(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)果首次提出了秈、粳亞種的獨立多起源假說，并建議恢復(fù)使用秈、粳亞種的正確命名，使中國源遠流長的稻作文化得到正確認識和傳承。
我國小麥基因組學(xué)專家張學(xué)勇研究員評價認為，秈稻和粳稻是中性的名詞，不帶有明顯的地域性，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，研究對亞洲栽培稻群體的結(jié)構(gòu)和分化進行了更為細致和準確的描述和劃分，由傳統(tǒng)的5個群體增加到9個，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個秈稻群體，東南亞的溫帶粳稻、熱帶粳稻、亞熱帶粳稻等3個粳稻群體、以及來自印度和孟加拉的Aus和香稻。
設(shè)計水稻不是夢
世界糧食貢獻獎獲得者、國際水稻研究所原首席科學(xué)家?guī)焓苍诤芏嗄昵埃吞岢隽恕霸O(shè)計水稻”的想法。如今，這一夢想正在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實。
“我國近些年下大力度進行參考基因組測序和功能基因組等工作，取得了很多專利，但是這些專利并沒法運用到育種上。”黎志康說，育種家在進行親本雜交的過程中，不知道想要的基因在哪個親本里，或者用哪個親本來做效率比較高，只能根據(jù)經(jīng)驗來判斷。
“3010份亞洲栽培稻基因組研究”成果為每一個親本中的所有基因貼上了“標簽”，每一份親本對應(yīng)著怎樣的基因一目了然，使本身抽象的基因轉(zhuǎn)化為育種家能讀懂的數(shù)據(jù)。黎志康表示，此成果將極大地推進水稻功能基因組和育種科學(xué)，在未來的3到5年，將會由一大批的相關(guān)成果涌現(xiàn)出來。
數(shù)以萬計的基因是通過組合調(diào)控特定的代謝途徑，最終體現(xiàn)在作物的性狀表達之上的。
黎志康打了個比方，這就好比打籃球比賽，上場的5個人得配合好，各有分工，才能打出好成績。如果找5個頂尖的后衛(wèi)或者中鋒上去，都是不行的，一定要是最佳分工和搭配。基因也是一樣，有很多基因共同作用導(dǎo)致一個作物出現(xiàn)相應(yīng)的性狀。如果影響某一代謝途徑的任何一個基因出現(xiàn)問題，那么作物該性狀的表現(xiàn)就會產(chǎn)生問題。“現(xiàn)在，我們通過全基因組掃描，可以找到特定品種某個性狀的缺失具體是由于哪個或那些基因出現(xiàn)了問題，然后從哪個親本里可以獲得所缺少的基因，再通過最佳的育種手段將所需的基因補上，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)高效的綠色超級稻，其育種策略就必須把種質(zhì)資源和基因組學(xué)技術(shù)進行整合，基于資源組合的遺傳信息平臺，使將來的育種建立在大數(shù)據(jù)的精準遺傳信息上，研究高效的育種策略，真正達到“設(shè)計育種”，需要什么樣的品種就可以在比較短的時間內(nèi)培育需要的品種。
中國農(nóng)科院作科所所長劉春明說，過去五年，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基因組任何一個位點進行調(diào)整改變。這套技術(shù)將完全改變農(nóng)業(yè)研究的步伐。這項技術(shù)本身依賴于基因組。如果沒有基因組，這個工作就做不到。3000個基因組代表著水稻相當部分水稻的變異，我們可以對變異的任何一個位點進行修飾改變，完全按照我們需要的目標去修飾，也可以把它敲除掉，這是未來基因組研究的中的重點。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長唐華俊表示，下一步，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，滿足不同人群的需要。
