近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）研究員汪泉課題組聯(lián)合西南大學(xué)/電子科技大學(xué)教授張勇課題組在《植物學(xué)報(bào)（英文版）》（Journal of Integrative Plant Biology）上發(fā)表研究論文。該研究利用基因編輯技術(shù)對(duì)兩種野生稻材料的多個(gè)關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因進(jìn)行改良，解決了野生稻匍匐生長(zhǎng)、長(zhǎng)芒、易落粒等不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的問(wèn)題。這一成果有助于更好地利用野生稻資源，擴(kuò)大水稻育種的遺傳多樣性選擇范圍，為水稻種質(zhì)創(chuàng)新與糧食安全保障提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
目前廣泛種植的亞洲栽培稻起源于普通野生稻。在馴化過(guò)程中，野生稻的匍匐生長(zhǎng)、長(zhǎng)芒、黑色穎殼、易落粒等固有特性，有助于其在自然環(huán)境中生存與繁衍，但這些性狀對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并無(wú)優(yōu)勢(shì)。對(duì)這些“不利”性狀的篩選，也間接導(dǎo)致野生稻中如抗病性、耐逆性相關(guān)基因及營(yíng)養(yǎng)相關(guān)基因流失。因此，有效利用野生稻資源，可擴(kuò)大水稻育種的遺傳多樣性選擇范圍。
研究團(tuán)隊(duì)選取了兩種具有良好轉(zhuǎn)化效率的野生稻材料，完成了這兩種材料的高質(zhì)量基因組測(cè)序與組裝。這兩種野生稻含有數(shù)量顯著更多的抗病抗逆相關(guān)基因，這證實(shí)了它們是保存“野性”抗性能力的天然寶庫(kù)。
研究瞄準(zhǔn)了控制野生稻芒長(zhǎng)、穎殼顏色、株型（分蘗角度）和落粒性的四個(gè)關(guān)鍵基因。他們將多把“基因剪刀”組裝到一個(gè)工具包里，構(gòu)建了多重基因編輯系統(tǒng)，并成功對(duì)野生稻進(jìn)行了編輯，獲得了同時(shí)改造四個(gè)基因的突變體材料。改造后的植株發(fā)生了顯著變化，株型從匍匐變得直立，長(zhǎng)芒縮短，穎殼顏色由深變淺，谷粒也更不易脫落。這些正是栽培稻的典型優(yōu)良性狀。
然而，這些“四基因編輯”植株的米粒仍是紅色，且籽粒比原來(lái)更短小，距離理想的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目標(biāo)仍有差距。為此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了第二輪精準(zhǔn)編輯，使紅米變成了白米，有效增加了籽粒的長(zhǎng)度和重量。
經(jīng)過(guò)這總計(jì)七個(gè)基因的改造，獲得的野生稻新材料綜合了多重優(yōu)點(diǎn)：株型直立、芒短、穎殼黃、不易落粒、米粒白、籽粒大，莖稈顏色也變?yōu)樵耘嗟镜木G色。
該研究驗(yàn)證了7個(gè)關(guān)鍵基因?qū)σ吧抉Z化相關(guān)性狀的調(diào)控作用,開(kāi)發(fā)了一種可靠的野生種質(zhì)資源利用策略,包括精確的基因組組裝、基因功能注釋、高效的基因轉(zhuǎn)化和多重基因組編輯工具。該策略可以加速具有多個(gè)有用特性的新水稻種質(zhì)資源的生成,有助于現(xiàn)代水稻育種工作。
汪泉和張勇為論文共同通訊作者，基因組所博士后田暢、西南大學(xué)教授唐旭與南開(kāi)大學(xué)在讀博士生張廣忠為論文共同第一作者。該研究得到了生物育種重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/jipb.70087
