李家洋團(tuán)隊成員在實驗室里檢查水稻長勢。按計劃，今年9月，在北京試種的野生稻就要收獲。 王之康攝
李家洋院士在察看野生稻。他敏銳的科研眼光和帶領(lǐng)整合科研力量的出色能力，是項目推進(jìn)的關(guān)鍵。 中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所供圖
“今年5月，我們的水稻材料就要在北京實驗田里試種了，未來有望推廣到更多地方。”說起手頭的工作，余泓眼睛里都是喜悅。
余泓是中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊的一員。他說的水稻材料，是該團(tuán)隊快速從頭馴化的全新水稻品種。去年初，這一成果發(fā)表在科學(xué)期刊《細(xì)胞》上，被業(yè)界認(rèn)為有望開辟一條野生植物馴化新路。
實現(xiàn)水稻育種從“0”到“1”的重要突破
農(nóng)作物的栽培與人工馴化是農(nóng)業(yè)文明起源的重要標(biāo)志。水稻是全球一半左右人口的主糧，往前溯源，它們的祖先都是7000到1萬年前的二倍體（含有兩個染色體組）野生稻，經(jīng)過了漫長馴化，成為當(dāng)前栽培的水稻。
過去，科學(xué)家在二倍體栽培稻的基礎(chǔ)上，培育出了一系列優(yōu)異的水稻品種。然而，除了二倍體栽培稻，稻屬還有其他20多種野生植物，按照基因組特征又可以分成11類，包括6類二倍體基因組和5類四倍體基因組。其中，CCDD基因組異源四倍體野生稻，是將兩套基因組水稻的完整二倍體染色體進(jìn)行了融合，有天然的雜種優(yōu)勢，還具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢。
如何在異源四倍體野生稻基礎(chǔ)上從頭馴化一種全新的水稻？李家洋帶領(lǐng)團(tuán)隊，瞄準(zhǔn)這一新領(lǐng)域，希望培育出產(chǎn)量高、環(huán)境適應(yīng)好的新水稻。
雖然異源四倍體野生稻種質(zhì)資源優(yōu)勢明顯，馴化潛力和開發(fā)空間大，但它存在一些不足，如種粒小、易脫落、花期短等，這些缺陷使其無法適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
受株型、花期、育性等影響，野生稻通過實驗室馴化、改良也面臨重重困難。經(jīng)過多年攻關(guān)，李家洋團(tuán)隊提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略，帶領(lǐng)團(tuán)隊創(chuàng)制了世界首例重新設(shè)計與快速馴化的四倍體水稻材料。這被稱為水稻育種從“0”到“1”的重要突破。
具體來說，馴化策略分為四個階段。在第一階段，該團(tuán)隊與同行合作，收集了28份異源四倍體野生稻資源。通過深入研究，篩選出一份高稈野生稻資源，并將其命名為多倍體水稻1號。在第二階段，團(tuán)隊建立了野生稻快速從頭馴化技術(shù)體系。在第三階段，進(jìn)行品種分子設(shè)計與快速馴化；第四階段則是推廣應(yīng)用。
經(jīng)過對多倍體水稻1號中同源基因進(jìn)行編輯，團(tuán)隊成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒型變長、莖稈變粗、抽穗時間縮短的各種基因編輯材料。這項工作證明，從頭馴化四倍體野生稻在策略上是可行的。
李家洋介紹，團(tuán)隊計劃用5至10年完成示范材料。之后，再用5年左右培育可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高抗高效新水稻作物。“應(yīng)用這一新方法，水稻從頭馴化可能縮短到幾十年甚至幾年。”李家洋表示。
為野生植物重新馴化提供了解決方案
經(jīng)過漫長的馴化，野生植物中一些符合人類需求的性狀被保留下來，作物的產(chǎn)量更高了，適用種植范圍更廣了，但這一過程也造成了遺傳多樣性的大量減少和一些重要基因資源的丟失。
“營養(yǎng)不夠多施肥，生病了靠打藥，久而久之，農(nóng)作物很多基因就丟失了，對環(huán)境的適應(yīng)能力隨之下降。”李家洋告訴記者，目前農(nóng)作物品種更新很快，一些種質(zhì)資源缺失后就再也找不回來了。
與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中多樣化品種小規(guī)模種植不同，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)追求高產(chǎn)，品種的單一化、同質(zhì)化種植，在削弱了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性的同時，還易引發(fā)土壤、水污染等問題。
多倍體化是植物最重要的進(jìn)化事件之一。業(yè)內(nèi)專家表示，二倍體向多倍體演化過程引入了新的遺傳信息，這一馴化策略有利于保護(hù)生物多樣性。由于在作物育種上的貢獻(xiàn)，“異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破”入選2021年度中國十大科技進(jìn)展新聞。
這項研究的價值不僅在于水稻領(lǐng)域，還對其他植物的快速馴化提供了技術(shù)路線參考。李家洋說，實踐證明異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略可行，其重要意義在于，它也為遺傳背景復(fù)雜的野生植物重新馴化提供了范例和解決方案。
我國人多地少，吃飯問題始終是頭等大事。業(yè)內(nèi)專家表示，突破現(xiàn)有作物改良局限和技術(shù)瓶頸，創(chuàng)造符合我國國情、農(nóng)情的全新作物，引領(lǐng)種子精準(zhǔn)設(shè)計，對保障我國糧食安全具有重要的意義。
據(jù)介紹，無論小麥、燕麥等糧食作物，還是煙草、棉花等經(jīng)濟(jì)作物，許多重要作物都是異源多倍體，它們大多數(shù)是天然的異源多倍體物種。但人工誘導(dǎo)異源多倍體作物挑戰(zhàn)重重，由于時間長、耗費大量的人力物力，許多有價值的種質(zhì)資源沒有得到充分利用。李家洋團(tuán)隊提出的策略，極大壓縮了作物馴化時間，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值高、遺傳背景復(fù)雜、馴化潛力大的野生植物的快速馴化提供了思路。
未來，科學(xué)家們還將做進(jìn)一步的研究，依靠植物基礎(chǔ)科學(xué)研究的重大理論創(chuàng)新和技術(shù)突破，從頭馴化更多新作物。
突破源于科研人員的長期堅持與深厚積累
2015年，李家洋團(tuán)隊全面啟動四倍體野生稻研究工作，但相關(guān)準(zhǔn)備工作很早就開始醞釀。李家洋團(tuán)隊一直在探索使用新的遺傳學(xué)育種方法，水稻只是諸多作物中的一種。
“我們研究的推進(jìn)，得益于現(xiàn)代生物技術(shù)的成熟。”李家洋解釋說，基因組測序組裝、基因組編輯、合成生物學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，讓之前做不了或者做起來效率很低的工作變成可能。
11年前，余泓加入李家洋團(tuán)隊。除了參與每階段具體科研任務(wù)，他還承擔(dān)團(tuán)隊協(xié)調(diào)、溝通工作，見證了研究工作從“0”到“1”的每一步。
“基礎(chǔ)科研從來不會保證產(chǎn)出，每一個階段都可能遇到瓶頸，讓整個研究走不下去。”余泓表示，“團(tuán)隊自始至終都是在壓力下前行。”
在整個馴化策略階段，李家洋團(tuán)隊遇到了許多棘手難題。比如，在收集到的四倍體野生稻資源中，到底哪個最有可能成為底盤種質(zhì)資源？能不能獲得再生能力好的苗？為此，科研人員做了大量的篩選工作。又如，現(xiàn)有栽培稻遺傳轉(zhuǎn)化方法對野生稻無法適用，科研人員為此建立了野生稻高效遺傳轉(zhuǎn)化體系；在基因組的繪制和基因功能注釋上，團(tuán)隊也做了很細(xì)致的處理……攻克這些難題，耗時短的也要一年左右。
項目推進(jìn)的6年多時間，團(tuán)隊沒有就相關(guān)研究成果發(fā)表過一篇文章。“我們的一些階段進(jìn)展，其實足夠發(fā)文章。中間沒有發(fā)表論文是為了完整驗證從頭馴化四倍體野生稻的可行性，得出一個真正有價值的結(jié)論。事實證明，我們得到了理想的結(jié)果。”余泓說。
余泓告訴記者，根據(jù)研究階段的需求，團(tuán)隊會吸納不同專長的科學(xué)家參與進(jìn)來，這項成果是在科研人員的緊密合作、學(xué)科交叉融合基礎(chǔ)上取得的。
“我們的執(zhí)著得到了回報。”余泓說，參照成熟的路徑去研究，過程相對容易，產(chǎn)出也有保障，但很難有原創(chuàng)性。面向未知的探索，才能帶來較高的回報。“團(tuán)隊做出這項突破，源于科研人員的長期堅持與深厚的積累。一些技術(shù)得以突破，背后是十幾年的鉆研。”
按計劃，今年9月，在北京試種的野生稻就要收獲。“我們團(tuán)隊都在期待一個好結(jié)果。”余泓說。
