中国科学院院士李家阳创造了世界上第一个重新设计和快速驯化的四倍体水稻材料——
开辟水稻育种新途径(科技视角)种业科技自立自强②)
本报记者 隐喻思南 人民日报 ( 2022年4月18日 第19 版)
“今年5月，我们的水稻材料就要在北京实验田里试种了，未来有望推广到更多地方。”说起手头的工作，余泓眼睛里都是喜悦。
余洪是中国科学院遗传与发展生物学研究所李嘉阳院士团队的一员。他说的水稻材料是该团队从零开始迅速驯化的一种新的水稻品种。去年年初，这一结果发表在科学期刊《细胞》上，被业界认为是野生植物驯化的新途径。
从0到1实现水稻育种的重要突破
&nb米乐app官网地址sp; 作物栽培和人工驯化是农业文明起源的重要标志。水稻是世界上大约一半人口的主要食物。它们的祖先是7000到1万年前的两倍体（含两个染色体组）野生水稻。经过长时间的驯化，它们已成为目前栽培的水稻。
过去，科学家们在二次体栽培水稻的基础上培育了一系列优良的水稻品种。然而，除了二次体栽培水稻外，水稻还有20多种野生植物，根据基因组的特点可分为6种二次体基因组和5种四次体基因组。CCDD基因组异源四倍体野生水稻是两套基因组水稻的完整二倍体染色体的融合，具有天然杂种优势和较强的环境适应性。
如何在异源四倍米乐app官网地址体野生水稻的基础上从零开始驯化一种新水稻？李嘉阳带领团队瞄准这一新领域，希望培育出产量高、环境适应性好的新水稻。
虽然异源四倍体野生稻种质资源优势明显，驯化潜力大，开发空间大，但存在种粒小、易脱落、花期短等缺陷，无法适应农业生产。
受株型、花期、育种等影响，野生水稻通过实验室驯化改良也面临诸多困难。经过多年的研究，李嘉阳的团队提出了四倍体野生水稻快速驯化的策略，并带领团队创造了世界上第一个重新设计和快速驯化的四倍体水稻材料。这被称为水稻育种从0到1的重要突破。
具体来说，驯化策略分为四个阶段。在第一阶段，团队与同行合作，收集了28种异源四倍体野生水稻资源。通过深入研究，筛选出一种高秸秆野生水稻资源，并将其命名为多倍体水稻1。在第二阶段，团队建立了野生水稻快速驯化技术体米乐app官网地址系。第三阶段，品种分子设计和快速驯化；第四阶段是推广应用。
在编辑了多倍体水稻1号米乐app官网地址中的同源基因后，该团队成功创建了各种基因编辑材料，如颗粒降低、芒变短、株高降低、颗粒变长、茎变厚、抽穗时间缩短等。这项工作证明，从零开始驯化四倍体野生水稻是可行的。
李嘉阳表示，该团队计划在5至10年内完成示范材料。之后，大约5年后，将培育出可用于农业生产的高产、高质量、高抗高效的新水稻作物。利用这种新方法，水稻驯化可能会缩短到几十年甚至几年。李嘉阳说。
为野生植物的再驯化提供了解决方案
经过长时间的驯化，野生植物中的一些符合人类需求的特征得到了保留。作物产量更高，种植范围更广。然而，这一过程也导致了大量遗传多样性的减少和一些重要基因资源的丢失。
李嘉阳告诉记者，目前农作物品种更新迅速，部分种质资源缺失后再也找不到了。
与传统农业中小规模种植多元化品种不同，现代农业追求高产、单一同质种植，不仅削弱了农业生态系统的多样性，而且容易造成土壤、水污染等问题。
多倍体化是植物最重要的进化事件之一。业内专家表示，二倍体向多倍体进化引入了新的遗传信息，有利于保护生物多样性。由于对作物育种的贡献，2021年入选中国十大科技进步新闻，异源四倍体野生水稻快速驯化取得新突破。
本研究的价值不仅在于水稻领域，而且为其他植物的快速驯化提供了技术参考。李嘉阳表示，实践证明，异源四倍体野生水稻快速驯化策略是可行的，其重要意义在于，它也为复杂的野生植物再驯化提供了示例和解决方案。
中国人多地少，吃饭一直是头等大事。业内专家表示，突破现有作物改良局限和技术瓶颈，创造符合中国国情和农业条件的新作物，引领种子精准设计，对保障中国粮食安全具有重要意义。
据报道，无论是小麦、燕麦等粮食作物，还是烟草、棉花等经济作物，许多重要作物都是异源多倍体，其中大部分是天然异源多倍体物种。然而，由于时间长、人力物力消耗大，许多有价值的种质资源并没有得到充分利用。李嘉阳团队提出的战略大大降低了作物驯化时间，为农业产值高、遗传背景复杂、驯化潜力大的野生植物的快速驯化提供了思路。
未来，科学家们将依靠植物基础科学研究的重大理论创新和技术突破，和技术突破，从零开始驯化更多的新作物。
突破源于科研人员的长期坚持和深度积累
2015年，李嘉阳团队全面启动了四倍体野生水稻研究，但相关准备工作早已开始酝酿。李嘉阳团队一直在探索使用新的遗传育种方法，水稻只是许多作物之一。
我们的研究得益于现代生物技术的成熟。李嘉阳解释说，基因组测序组装、基因组编辑、合成生物学等技术的发展使以前不能或低效的工作成为可能。
11年前，余洪加入了李嘉阳的团队。除了参与每个阶段的具体科研任务外，他还承担了团队协调和沟通，见证了从0到1的每一步。
基础研究永远不会保证产出，每个阶段都可能遇到瓶颈，使整个研究无法继续下去。余洪说：这个团队一直在压力下前进。
在整个驯化策略阶段，李嘉阳的团队遇到了许多棘手的问题。例如，在收集到的四倍体野生水稻资源中，哪一种最有可能成为底盘种质资源？我们能得到具有良好再生能力的幼苗吗？为此，研究人员做了大量的筛选工作。另一个例子是，现有的栽培水稻遗传转化方法不适用于野生水稻，研究人员建立了有效的野生水稻遗传转化系统；团队还对基因组的绘制和基因功能注释进行了非常详细的处理……克服这些问题大约需要一年的时间。
米乐app官网地址 在项目推广的六年多时间里，该团队没有就相关研究成果发表文章。我们的一些阶段实际上足以发表文章。中间没有发表论文，以完全验证从零开始驯化四倍野生水稻的可行性，并得出真正有价值的结论。事实证明，我们得到了理想的结果。余洪说。
余洪告诉记者，根据研究阶段的需要，团队将吸收不同专业的科学家参与，这是基于研究人员的密切合作和学科的交叉整合。
我们的坚持得到了回报。余洪说，参照成熟的路径进行研究相对容易，产出得到保证，但很难有原创性。面对未知的探索，我们可以带来更高的回报。团队的突破源于研究人员的长期坚持和深度积累。在十多年的研究背后，一些技术取得了突破。
按计划，今年9月，在北京试种的野生稻就要收获。“我们团队都在期待一个好结果。”余泓说。
