水稻是全球最重要的作物之一。近14亿人口的中国2/3的口粮来自于水稻。自从水稻基因组破译之后,科学家一直希望利用全球78万份水稻种质资源,设计和培育出绿色、优质、高产、多抗的水稻新品种。然而,如何将种质资源和基因组学技术进行整合,将功能基因组研究成果转化为育种家所能利用的分子设计育种信息,则必须充分了解水稻种质资源的基因组信息。
中国农业科学院作物科学研究所(下称作科所)黎志康团队联合上海交通大学、华大基因、中国农科院(深圳)农业基因组研究所、安徽农业大学、美国亚利桑那大学等16家科研机构和高校,历经7年艰辛付出,完成了3000份水稻基因组的深入分析,圆满回答了上述问题,并为其他农作物分子育种体系的建立提供范本。
英国时间4月25日,《自然》杂志以长论文形式在线发表了上述成果。中国工程院院士、水稻育种专家万建民指出,该项研究是中国主导的国际科研协作的结果,解析了水稻基因组遗传多样性,对水稻起源、分类和基因规律进行了探讨,将推动规模化水稻基因发掘和水稻复杂性状分子改良,提高全球水稻基因研究和分子育种水平,加快优质、广适、绿色、高产水稻的品种培育。
该研究成果构建了亚洲栽培稻的泛基因组,发现了1.2万个全长新基因和数千个不完整的新基因。论文第一作者、作科所副研究员王文生告诉《中国科学报》记者,3000份水稻来自全球89个国家和地区,代表了全球78万份水稻种质资源约95%的遗传多样性。
中国农业科学院作物科学研究所研究员刘春明向记者表示,发现这么多新基因在他的意料之外。所有的育种工作都依赖于基因组变异,没有基因组变异就没有物种的创新,没有新品种的培育。这给基因育种提供了非常精确的导向台。这是极端重要的。
3000份水稻基因组研究成果可以加速水稻的育种进程,国际水稻研究所首席科学家、国际水稻基因库主任Ruaraidh Sackville Hamilton博士说:“原来从性状发现到品种育成需要40年的时间,现在基于这些数据和结果短短几年就可以实现。
同时可以使我们的育种进程更加有效和精确,使育成品种更能适应日益复杂的生长环境,减少对环境的影响,以较少的资源投入获得较高的产出,以及满足消费者不断变化的需求。”
华大基因董事长特别顾问王韧告诉记者,这项研究成果“让我们离国际水稻研究所库什教授提出的‘设计水稻’的梦想越来越近”。
在我国,亚洲栽培水稻中“籼”、“粳”(gěng)两大亚种早在2000多年前的汉代已被人们所认知,但籼、粳稻的起源和命名在国际上一直存有争议。日本学者加藤茂范于1928年将“籼”、“粳”称为indica和japonica,并一直沿用至今。从其拉丁文名可以看出,两个亚种用“印度”和“日本”来命名,错误地反映了籼、粳的亲缘关系、地理分布和起源。
2011年9月,中国农业科学院、国际水稻研究所和华大基因共同启动“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”(3K Rice Genomes Project),拉开了水稻核心种质资源全基因组测序和基因组分析的序幕。2014年,3000份水稻基因组测序数据于“世界饥饿日”公开发布于NCBI、DDBJ、GigaScience、阿里云等数据库,与全球共享。
在科技部“863”计划项目、“十三五”国家重点研发计划、比尔及梅琳达盖茨基金会、中国农业科学院科技创新工程、科技部国际合作项目和深圳孔雀团队等项目的资助下,现在已建成SNPs数据库、泛基因组基因数据库,正在建立水稻功能等位基因组数据库,再加上全国多家协作单位的实验表型数据、功能基因组研究数据,最终将建立若干重要数据库和资源信息平台。