B. 异源四倍体野生稻快速从头驯化模式图上述成果以“A route

简介: B. 异源四倍体野生稻快速从头驯化模式图上述成果以“A route to de novodomestication of wild allotetraploid

农业文明是人类文明的核心,起始于对野生动植物的驯化。

大约在一万年前的新石器时代,人类开始驯化野生植物。

经过大约六千年的摸索,先民们完成了主要作物的驯化,人类社会从而实现了由采集渔猎型向农业文明型的伟大转变。

其中,水稻是最早在中国被驯化的作物之一,长江流域的先民们至少在七千年前就开始种植水稻。

真核生物的遗传信息主要储存在染色体上,而染色体通常以二倍体或不同形式的多倍体存在。

与二倍体植物相比,多倍体植物由于基因组多倍化,在生物量、耐逆性、抗病虫性、适应性以及遗传多样性等方面均具有显著优势。

在主要作物中,小麦、棉花、油菜、花生等为异源多倍体,甘薯和马铃薯等为同源多倍体,而栽培稻为二倍体。

在面对这一未解之谜的同时,另一个重大问题是能否利用现代生物育种技术,实现从多倍体野生稻到多倍体栽培稻的快速驯化?

经过驯化的现代二倍体栽培稻具有直立生长、不易落粒、紧穗、短芒或无芒、高产、抽穗期早、适应性广等特点。

从理论上而言,将多倍体野生稻驯化为栽培稻具有相似甚至相同的问题,而在多倍体野生稻中决定这些关键性状的遗传基础基本未知。

从技术上而言,多倍体野生稻的快速驯化具有野生资源选择、遗传背景解析、驯化性状与位点选择、遗传转化技术、基因组编辑技术等难题,可谓一着不慎,满盘皆输。

面对这一重大科学问题和诸多技术难题,植物基因组学国家重点实验室李家洋团队与合作者设计并完成了异源四倍体野生稻快速从头驯化的框架图,其核心策略包括筛选综合性状优异的异源四倍体野生稻底盘种质资源、建立野生稻快速从头驯化技术、品种分子设计与快速驯化以及新型水稻作物推广应用等四个阶段。

基于这一设计框架图,李家洋团队发现来源于美洲的异源四倍体高秆野生稻(Oryza alta; CCDD基因组)具有生物量大、胁迫抗性强、遗传转化较容易等特点,将其命名为PolyPloid Rice 1 (PPR1)并选择其为目标材料(图A)。

以PPR1为材料,李家洋团队突破了基因组解析、高效遗传转化、高效精准基因组编辑等技术瓶颈。

在此基础上,团队在PPR1异源四倍体基因组中,注释了系列驯化基因和重要农艺性状基因,并对控制落粒性、芒长、株高、粒长、茎秆粗度及生育期等性状的基因进行了编辑,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、抽穗时间缩短的新材料(图B)。

这一革命性的研究成果标志着异源四倍体野生稻从头驯化初步成功,不仅证明了通过快速从头驯化将异源四倍体野生稻培育成为未来主粮作物的可行性,而且也为通过从头驯化其它野生和半野生植物而创制新型作物了重要参考。

更重要的是,先民们历经数千年驯化的二倍体栽培稻将可能被快速从头驯化异源四倍体栽培稻取代,至少是部分取代。

B. 异源四倍体野生稻快速从头驯化模式图上述成果以“A route to de novodomestication of wild allotetraploid rice”为题于2021年2月3日发表于国际权威学术期刊Cell (DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.013)。


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