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李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

生物技术 时间:2021-02-22 09:42:25 作者:莫敖坤
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李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

生命科学
Life science
近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队联合国内外多家单位研究人员在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell《细胞》发表研究性文章,通过组装异源四倍体高秆野生稻基因组,优化遗传转化体系,结合多维基因组学和多靶点精准基因组编辑技术,绘制了异源四倍体野生稻从头驯化的“蓝图”。本研究使作物驯化时间呈现“跳跃式”前进,为缓解世界粮食危机提供了一种可行的策略。
该工作一经发表即受到国内外媒体的广泛报道,CellPress细胞科学公众号特别邀请李家洋院士进行了专访,请他为大家进一步解读。
研究背景
随着耕地面积的不断减少,世界人口的增加,全球环境变化以及作物遗传多样性的减少,导致人类粮食安全问题日益严峻。科学技术是第一生产力,农业生产力是农业经济发展的重要推动力,如何乘着生物世纪的浪潮,运用分子生物学知识,结合现有作物驯化的机理及其性状遗传改良基础驯化新型作物,是关系到我们粮食安全的关键因素。

李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

▲论文图片摘要
建立异源四倍体水稻的高效转化系统
当前田间的栽培稻由“祖先”二倍体野生稻经过数千年的人工驯化而来,驯化过程在改良其重要农艺性状的同时,也造成了遗传多样性的大量减少、优势基因资源的缺失。除了二倍体栽培稻,稻属还有其他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,CCDD基因组异源四倍体野生稻将CC基因组水稻和DD基因组水稻的两套完整二倍体染色体进行了融合,有天然的杂种优势。此外,还具有生物量大、环境适应能力强等优势。然而异源四倍体野生稻同时也具有非驯化特征的缺点,无法作为可被人类利用的作物进行农业生产。为了培育多倍体水稻作物,研究者选取了愈伤组织的诱导和再生能力强的材料 将其命名为PPR1(polyploid rice1), 研究表明其生物量巨大,高度2.7米、宽长叶5厘米,穗长48厘米,但也具有典型的非驯化特征,如穗小且稀疏,千粒重小,芒长4厘米等。
对异源四倍体水稻基因组进行了高质量组装
研究团队采用综合基因组测序和组装的方法,分析了121.1GB的PACBIO测序数据,287.1GB的BioNano测序数据等实现了异源四倍体的高质量的组装,研究发现其总基因组大小为894.6Mb,24条染色体,分为Ct和Dt两个亚基因组,分别含有52861和46388个蛋白质编码基因。作者研究了异源四倍体的基因组特征,探讨了高秆野生稻和亚洲栽培稻之间的基因相似性,结果表明,高秆野生稻基因组含有大量栽培稻尚未利用的遗传资源,异源四倍体水稻群体可以为未来的功能基因组研究和育种提供多种遗传资源。
注释了栽培稻中重要农艺性状基因在异源四倍体野生稻中的同源基因
除了驯化相关基因外,作者还鉴定栽培稻中10个驯化基因及113个重要农艺性状基因在异源四倍体野生稻中的同源基因,这些基因决定了重要性状产量、生物和非生物抗性以及养分利用效率等性质。
通过基因组编辑实现了对高秆野生稻相关性状的改良
“绿色革命”基因SD1是现代水稻育种中最重要的基因之一,因为它的突变导致了倒伏抗性的增强和产量的增加。作者利用CRISPR/Cas9技术,设计两个sgRNAs,获得了SD1移码突变的突变体。研究发现,与野生型PPR1相比,其高度显著降低。此外,作者还敲除了GS3基因,籽粒长度显著增加。综上所述,这些结果表明,二倍体水稻的遗传信息可直接应用于四倍体水稻的改良。

李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

IPA1被认为是新的绿色革命基因之一,栽培稻中该基因的单碱基突变会影响OsmiR156对它的调节能力,导致茎秆增粗,抗倒伏能力提高,穗大,谷物产量显著增加。通过研究作者发现野生稻碱基替换编辑技术同样可以应用于高秆野生稻基因改良的策略中。

李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

多倍体化是植物最重要的进化事件之一,它可以增加遗传多样性,引入新的遗传组合,以促进对新环境的适应能力。许多经济上重要的作物是异源多倍体;这些作物包括小麦和燕麦等粮食作物,烟草、棉花和甘蔗等工业作物,以及水果作物等,但大多数是天然的异源多倍体物种。虽然异源多倍体的优点得到了广泛的认可,但人工诱导的异多倍体作物却挑战重重,而且是一个长期的育种计划,将耗费大量的人力物力。作者的目标是利用基因组编辑对野生异源多倍体植物进行新的驯化。从选择的野生异源四倍体水稻PPR1出发,建立有效的组织培养和基因组编辑系统,构建高质量的基因图谱,利用栽培稻驯化相关基因的研究成果在高秆野生稻基因组中鉴定同源基因,为编辑其潜在的重要农艺基因提供必要的信息,为培育跨越千年的种质资源提供高速通道。

李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请李家洋院士代表团队进行了专访,请他为大家进一步详细解读。
CellPress:
请问您和团队是在什么契机下选择驯化异源四倍体野生稻这个研究方向的?
李家洋院士:
课题的选择主要是在全球人口不断增长,可耕地难以大幅增加,且全球气候变化加剧情况下如何保障粮食安全这一大背景下提出的,目标是快速驯化具有生物量大、抗逆境胁迫强的异源多倍体野生水稻,使之最终成为高产优质高抗高效的新主粮作物。
CellPress:
我们可以看到,这个工作是多个中外团队合作的结果。您认为在现阶段的植物以及科学研究中,多团队的合作是否起到了推动科学发展的关键作用?
李家洋院士:
是的,现代科学研究的范式正在发生变革,多团队合作正在成为推动科学快速发展的主流。
CellPress:
您认为在基因组编辑CRISPR/Cas9辅助的性状改良与自然驯化的缺点和优势分别是什么?
李家洋院士:
优点是快速、精准、经济;缺点是需要能够建立可行的基因组编辑技术体系、具有完整的基因组序列信息、和能够确定重要农艺性状形成的关键基因及其调控机理。
CellPress:
目前我们已经通过基因组编辑的手段改良了部分野生稻的性状。下一步的工作中,您还有什么计划。野生水稻距离我们最终的田间种植用于农业生产是否还有距离?
李家洋院士:
下一步的工作就是按照我们的路线图,用3-5年的时间,完成示范材料,然后再用5年左右的时间培育可用于农业生产的高产优质高抗高效新水稻作物。
论文通讯作者团队介绍

李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

李家洋
院士
植物分子遗传学家,中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国国家科学院外籍院士、德国科学院院士、英国皇家学会外籍会员、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、博士生导师 。
1981年毕业于安徽农学院。1991年获得美国布兰代斯大学博士学位。1999年至2001年担任中国科学院遗传研究所所长。2001年至2004年担任中国科学院遗传与发育生物学研究所所长。2001年当选为中国科学院院士。2004年至2011年担任中国科学院副院长、党组成员。2011年至2016年担任农业部党组成员、副部长,中国农业科学院院长。获得2017年国家自然科学奖一等奖。2018年获得第三届未来科学大奖生命科学奖。
李家洋院士主要从事植物分子遗传学研究,主要研究植物激素的合成途径与作用机理,着重于阐明高等植物株型形成的分子机理,并致力于水稻的分子品种设计,培育高产、优质、多抗、高效的水稻新品种。

李家洋院士团队等实现从头驯化异源四倍体野生稻

高彩霞
研究员
高彩霞,1997年获中国农业大学博士学位, 1997年-1998年丹麦DLF-Trifolium公司从事博士后研究,1998-2009年9月任丹麦DLF-Trifolium公司科研部研发科学家。2009年9月回国,现任中科院遗传发育所植物细胞与染色体工程国家重点实验室研究员。主要从事植物基因组编辑技术以及基因组编辑技术在分子设计育种中的应用的研究。
梁承志
研究员
1989年毕业于武汉大学获得遗传学学士学位,1995年于中科院遗传所获得遗传学博士学位,2001在加拿大Waterloo大学获得数学与计算机科学硕士学位。2001-2012年先后在加拿大Bioinformatics Solutions Inc公司、美国纽约冷泉港实验室、菲律宾国际水稻所从事生物信息研发工作。2012年2月回国,现担任中科院遗传发育所生物大数据分析平台首席科学家。

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余泓
副研究员
2006年毕业于清华大学自动化系获自动化专业学士学位,2011年于中国科学院遗传与发育生物学研究所获得生物信息学博士学位。2011年至今,在中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋课题组历任助理研究员与副研究员。从事水稻功能基因组学,水稻分子设计育种,植物能量平衡与代谢,四倍体野生稻快速驯化等研究。
相关论文信息
原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell上,点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题:
A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice
▌论文网址:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00013-1
▌DOI:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.013
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