未來(lái)的水稻將會(huì)怎樣育種?也許“3000份水稻基因組”研究項(xiàng)目能告訴我們。
“3000份水稻基因組”研究是由中國(guó)主導(dǎo)的國(guó)際間科研大協(xié)作項(xiàng)目,近日《自然》雜志發(fā)表項(xiàng)目組重大成果。項(xiàng)目組成員、論文第一作者、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所副研究員王文生在接受科技日?qǐng)?bào)記者專(zhuān)訪時(shí)表示,項(xiàng)目建立了基于水稻基因組信息的數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用平臺(tái),將提升規(guī)?;瘍?yōu)良基因發(fā)掘和水稻分子育種效率,開(kāi)啟了“后基因組時(shí)代的水稻設(shè)計(jì)育種”,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)育種”向現(xiàn)代“精準(zhǔn)育種”的躍升。
代表78萬(wàn)份水稻95%以上遺傳多樣性
作為目前植物界最大的基因組測(cè)序工程,項(xiàng)目組對(duì)亞洲栽培稻群體進(jìn)行了當(dāng)今最為精細(xì)的種群分類(lèi),揭示了水稻種內(nèi)豐富的群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性,構(gòu)建了全球首個(gè)接近完整、高質(zhì)量的亞洲栽培稻的泛基因組,發(fā)現(xiàn)了1.2萬(wàn)個(gè)水稻新基因,為水稻分子設(shè)計(jì)育種提供了新基因資源。
水稻是我國(guó)的主要糧食作物,我國(guó)水稻遺傳育種水平一直走在世界前列。不過(guò),面對(duì)氣候變化、資源短缺以及供給側(cè)改革的新形勢(shì),傳統(tǒng)育種方法難以滿足對(duì)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型育種模式的技術(shù)需求。因此,對(duì)水稻核心種質(zhì)資源進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序分析,挖掘基因組變異和優(yōu)良基因等,對(duì)持續(xù)培育突破性水稻新品種具有重大的理論和戰(zhàn)略意義。
于是,在2011年9月,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、國(guó)際水稻研究所和華大基因共同啟動(dòng)了“全球3000份水稻核心種質(zhì)資源重測(cè)序計(jì)劃”,拉開(kāi)了水稻核心種質(zhì)資源全基因組測(cè)序和基因組分析的序幕。這3000份材料的取樣并非是隨意的,而是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的分層取樣,來(lái)源于全球89個(gè)國(guó)家。也就是說(shuō),這代表了78萬(wàn)份水稻的3000份樣本,體現(xiàn)了95%以上的遺傳多樣性。
論文的共同第一作者、華大基因高級(jí)信息分析師太帥帥說(shuō),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)850天的持續(xù)努力,共產(chǎn)生17T(1T等于1024G)的測(cè)序原始數(shù)據(jù);發(fā)現(xiàn)了蘊(yùn)藏在水稻種質(zhì)資源中巨量的自然多態(tài)性變異,其中包括2900萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性(SNPs)、250萬(wàn)個(gè)插入缺失標(biāo)記(InDels)和9萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)變異。
獲得2900萬(wàn)個(gè)新基因?qū)Ш轿稽c(diǎn)
我國(guó)科學(xué)家們將會(huì)怎樣使用這些研究數(shù)據(jù)?
論文的共同第一作者、中國(guó)農(nóng)科院在讀博士生吳志超說(shuō),首先是規(guī)?;l(fā)掘3000份核心種質(zhì)中影響水稻農(nóng)藝性狀的等位基因,比如對(duì)稻瘟病、白葉枯等的抗病性,抗旱、耐鹽等重要性狀,營(yíng)養(yǎng)高效、微量元素缺乏耐性、食用品質(zhì)相關(guān)性狀等?!八镜膸兹f(wàn)個(gè)基因中,現(xiàn)在功能已明確的也就3000個(gè)左右。要想了解其他基因的功能,必須對(duì)存在不同變異的基因序列和相應(yīng)的表型進(jìn)行比較分析,確定基因是否和性狀有關(guān)系,哪種變異在糧食生產(chǎn)或其他方面表現(xiàn)更好。”
其次,當(dāng)科學(xué)家們知道各種基因有什么功能、哪種類(lèi)型的基因更有利時(shí),就可直接去基因數(shù)據(jù)中找到對(duì)應(yīng)的品種,對(duì)這些品種進(jìn)行利用。
“此次研究獲得了2900萬(wàn)個(gè)新的導(dǎo)航位點(diǎn),為培育優(yōu)良品種、盡可能整合優(yōu)良性狀、去除劣性性狀等奠定了基礎(chǔ)。我們還將利用這批數(shù)據(jù)建立一個(gè)系統(tǒng)的水稻育種數(shù)據(jù)庫(kù),將其作為分子設(shè)計(jì)育種的有利工具,分子育種速度將大幅提高。”王文生說(shuō),項(xiàng)目為水稻種質(zhì)創(chuàng)新和新品種培育同時(shí)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和種質(zhì)資源。
為水稻基因組編輯奠定基礎(chǔ)
過(guò)去五年,在生命科學(xué)領(lǐng)域所產(chǎn)生最大的、革命性的新技術(shù)就是基因編輯。這套技術(shù)將完全改變農(nóng)業(yè)研究的步伐,但技術(shù)本身依賴于基因組的發(fā)現(xiàn)。
王文生說(shuō),3000個(gè)水稻基因組中有相當(dāng)部分是基因的變異?!拔覀兡芊浅S行У貙?duì)基因組任何一個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整改變,也可以對(duì)變異的任何一個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行修飾,甚至是敲除掉。這是未來(lái)基因組研究的熱點(diǎn)?!币簿褪钦f(shuō),3000個(gè)基因組的研究為我國(guó)水稻基因組編輯奠定了雄厚基礎(chǔ)。
王文生舉例說(shuō),水稻中還有一些基因的屬性不明確,比如某種基因是秈稻特有的還是粳稻特有的,是否與秈粳稻分化有關(guān)?有了3000個(gè)基因組的數(shù)據(jù)庫(kù),科研人員很快就可以回答這些問(wèn)題了。
“總之,該研究成果將推動(dòng)水稻規(guī)?;虬l(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設(shè)計(jì)育種水平,加快培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、廣適、綠色、多功能水稻新品種。”王文生說(shuō)。