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中國主導水稻研究國際大協作,推動水稻精準化育種

  日前,由中國農業科學院作物科學研究所牽頭,聯合國際水稻研究所、上海交通大學、華大基因、深圳農業基因組研究所、安徽農業大學、美國亞利桑那大學等國內外16家單位,歷時7年共同協作攻關完成的“3000份水稻基因組計劃”結出碩果。該研究對來自全球89個國家的代表了78萬份核心種質約95%遺傳多樣性的3010份水稻進行了重測序和大數據分析,針對水稻起源、分類和馴化規律進行了深入探討,剖析了水稻核心種質資源的基因組遺傳多樣性;揭示了亞洲栽培稻的起源和群體基因組變異結構;建立了基于水稻基因組信息的數據庫和應用平臺,推進傳統“經驗育種”向現代“精準育種”躍升。相關研究成果于2018年4月25 日以長文形式在線發表在國際頂級期刊《自然》( Nature )雜志上。

  水稻是全世界最重要的糧食作物之一,預計到2050年,全球的稻米產量必需增加1倍以滿足未來人口增加的需求。而且,在全球氣候變化的趨勢下,如何培育優質、高產、廣適的水稻新品種一直是育種家面臨的巨大挑戰。過去20多年,全球科學家已經克隆了多個水稻基因,然而,如何將這些功能基因組的研究成果轉化為育種家所能利用的分子設計育種信息,則必須對水稻種質資源的基因組信息進行充分了解。“3000份水稻基因組計劃”正是在這樣的背景下應運而生,利用新一代基因組測序技術和高性能的計算機平臺對水稻種質資源進行大規模的基因組重測序和大數據分析,解析水稻種群基因組多樣性的本質,對于高效挖掘水稻有利基因、實現基于全基因組信息的水稻分子設計育種具有重大的理論和實踐意義,是關系著國家乃至全球糧食安全的重大戰略問題。

  國內外“大聯合”—“大協作”—“大共享”

  2011年9月,中國農業科學院、國際水稻研究所和華大基因共同啟動“全球3000份水稻核心種質資源重測序計劃”(3K Rice Project),拉開了水稻核心種質資源全基因組測序和基因組分析的序幕。2014年5月,3010份水稻基因組測序數據于“世界饑餓日”公開發布于NCBI、DDBJ、GigaScience、阿里云等數據庫,于全球共享。同時,基于測序結果建立了若干重要數據庫和資源:SNP和表型數據庫(Rice SNP-Seek Database);3K 泛基因組數據庫(RPAN: Rice Pan-genome Browser);另外,泛基因組和結構變異原始數據將發布在Nature旗下的Scientific Data雜志上。同時,該項目從國際水稻研究所引進了2400份水稻核心種質,極大豐富了我國的水稻遺傳多樣性。目前3010份水稻種質已經發放給中國科學院、武漢大學、華中農業大學等40家科研單位、高校和育種單位,發放超過4萬份次,用于大規模發掘影響水稻高產、抗病蟲、抗逆、優質新基因和育種應用,全面開始推進水稻全基因組分子育種。

  巨量的多態性基因組信息數據庫推進傳統“經驗育種”向現代“精準育種”躍升

  水稻種群的基因有著豐富的多樣性和復雜的作用機制,是水稻育種改良的遺傳基礎。長期以來,全球科學家一直致力于闡明水稻基因組所有基因的功能及其等位基因多樣性與重要農藝性狀的關聯,并將研究成果運用到水稻遺傳改良中。以基因技術為核心的分子設計育種,讓水稻育種周期更短、更有針對性,代表了水稻育種的發展方向。

  該研究共檢測到32M的高質量SNPs和Indels,對亞洲栽培稻群體的結構和分化進行了更為細致和準確的描述和劃分,由傳統的5個群體增加到9個,分別是東亞(中國)的秈稻、南亞的秈稻、東南亞的秈稻和現代秈稻品種等4個秈稻群體,東南亞的溫帶粳稻、熱帶粳稻、亞熱帶粳稻等3個粳稻群體、以及來自印度和孟加拉的Aus和香稻;首次揭示了亞洲栽培稻品種間中存在的大量微細(>100bp)結構變異(SVs,包括易位、缺失、倒位和重復);構建了亞洲栽培稻的泛基因組,包括12,770個(62.1%)核心(core)基因家族和9,050個(37.9%)分散式(distributed)基因家族。發現了1.2萬個全長新基因和數千個不完整的新基因。核心基因比較古老,大多數的新基因表現更年輕和長度偏短。

  3010份水稻基因組測序的完成僅僅是一個開端,隨著分析的深入和更多數據的產生,包含水稻全部優良基因多樣性的數據庫必將更加龐大與精細,人們可以從中找到與任何性狀相關的關鍵基因并應用到育種實踐中。這將為開展水稻全基因組分子設計育種提供足夠的基因來源和育種親本精確選擇的遺傳信息,為培育優質、高產、廣適水稻新品種奠定基礎。

  亞洲栽培水稻起源的新觀點和命名恢復

  在我國,亞洲栽培水稻中“秈”、“粳”(gěng)兩大亞種早在2000多年前的漢代已被人們所認知,但秈、粳稻的起源和命名在國際上一直存有爭議。日本學者加藤茂范于1928年將“秈”、“粳”稱為 indica ( Oryza sativa L. subsp. indica Kato japonica ( Oryza sativa L. subsp. japonica Kato,并一直沿用至今。從拉丁文標注可以看出,兩個亞種用“印度”和“日本”來命名,帶有很深的殖民主義烙印,也錯誤地反映了秈、粳的親緣關系、地理分布和起源。我國老一輩著名水稻專家丁穎先生把秈稻定名為秈亞種,粳稻定名為粳亞種( O. sativa L. subsp. keng Ting)。在維基百科中( http://zh.wikipedia.org/wiki/?23?¨?) 也標注了粳(geng)稻(學名 Oryza sativa subsp. keng)。本研究通過對大量重要進化相關基因的單倍型和泛基因組分析發現,秈稻攜帶的很多基因不存在于粳稻中,粳稻的很多基因也不存在于秈稻中。此外,不同地理來源的水稻農家品種群體都帶有特異的基因家族。根據這些結果首次提出了秈、粳亞種的獨立多起源假說,并恢復使用秈( Oryza sativa subsp. xian)、粳( Oryza sativa subsp. geng)亞種的正確命名,使中國源遠流長的稻作文化得到正確認識和傳承。

  此項成果將推動水稻規模化基因發掘和水稻復雜性狀分子改良,提升全球水稻基因組研究和分子育種水平,加快優質、高產、廣適水稻新品種培育。該研究是國內外水稻研究專家大協作取得的成果,體現了中國在水稻基因組研究方面居于世界領先位置,并擴大了我國水稻功能基因組研究國際領先優勢。在國家擴大開放的大背景下,重大數據共享和重大項目合作,將為我國乃至全球農業研究水平帶來更大的飛躍。

  作科所王文生副研究員、吳志超博士、鄭天清副研究員、張帆副研究員及其他參加單位等共12人為該篇論文的第一作者。作科所黎志康研究員等7人為該篇論文的通訊作者。作科所為該成果的第一完成單位。該研究得到了科技部“863”計劃、“十三五”國家重點研發計劃、比爾及梅琳達蓋茨基金、中國農業科學院科技創新工程、深圳孔雀團隊等項目的資助。該項目是由中國科學家主導的,世界范圍內的一次大規模、高水平的科研合作,項目產生的所有數據和測序材料已經通過多個途徑對外公開分享。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0063-9 



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