水稻是全球一半左右人口的主粮

当前栽培的水稻，往上溯源

祖先都是7000到1万年前的二倍体野生稻

我国科学家通过快速从头驯化策略

创制了全新的水稻材料

有望开辟一条野生植物驯化新道路

为缓解世界粮食危机

提供了一种可行的策略

前不久，基于在作物育种上的贡献

这项关于水稻的重大原创成果

入选2021年中国十大科技进展

我们采访了主持该研究的

中科院遗传与发育生物学研究所

研究员李家洋院士

水稻驯化的得与失

农作物驯化是农业文明起源的重要标志。经过漫长的驯化，野生植物中符合人类需求的性状被保留下来。

驯化改良后，作物的产量更高了，适用种植范围更广了，但这一过程使得遗传多样性的大量减少，一些重要基因资源的丢失。

“营养不够施肥，生病了打药，农作物被呵护得这么好，久而久之，很多基因就丢失了，对环境的耐受能力也下降了。” 李家洋解释，目前农作物品种变化很快，一些种质资源没有了，就再也找不回来。

李家洋院士在查看野生稻

与传统农业是多样化品种小规模种植不同，现代农业高产品种的单一化、同质化种植的模式，不仅削弱了农业生态系统多样性，还引发土壤、水污染等环境问题。

根据联合国粮农组织报告，预计到2050年，全球粮食生产应在当前基础上增加50％才能满足需求。

一边是不断增长的粮食需求，另一边是作物遗传多样性持续降低，面对双重压力，李家洋表示，如何改良品种，进一步提高作物单产，是农业科技界不得不面对的难题。

过去，科学家在二倍体栽培稻的基础上，培育出了一系列优异的水稻品种。然而，除了二倍体栽培稻，稻属还有其他20多种野生植物。

按照基因组特征，这些野生稻属分成11类，包括6类二倍体基因组和5类四倍体基因组。其中，CCDD基因组异源四倍体野生稻有天然的杂种优势，此外，生物量大、环境适应能力也强。

为什么不能在异源四倍体野生稻基础上，从头驯化一种全新的水稻？瞄准这一前人从未涉及的领域，李家洋带领团队希望培育出产量高，环境适应好的新水稻。

从“0”到“1”的重要突破

虽然异源四倍体野生稻种质资源优势明显，驯化潜力和开发空间大，但它也存在一些致命的不足。比如，种粒小、易脱落，花期短等，这些缺陷使其无法进行农业生产。

野生稻受株型、花期、育性等影响，通过实验室驯化、改良起来也困难重重。

经过多年攻关，李家洋团队提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化策略，破解关键技术难题，创造了世界首例重新设计与快速驯化的四倍体水稻材料。这是水稻育种从“0”到“1”的重要突破。

田间种植的异源四倍体野生稻

具体来说，驯化策略分为四个阶段。在第一阶段，该团队与国内外同行合作，收集到28份异源四倍体野生稻资源，并从中筛选出一份高秆野生稻资源——多倍体水稻1号（PPR1）。

在第二阶段，建立了野生稻快速从头驯化技术体系；在第三阶段，进行品种分子设计与快速驯化；第四阶段则是推广应用新型水稻作物。

经过催PPR1中同源基因进行基因编辑，团队成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒型变长、茎秆变粗、抽穗时间缩短的各种基因编辑材料。

这项工作证明，从头驯化四倍体野生稻在策略上是可行的。

“参照设计路线图，我们将用5至10年完成示范材料。”李家洋说，之后，再用5年左右，培育可用于农业生产的高产优质高抗高效新水稻作物。

野生稻驯化示意图

从野生稻到老百姓种的栽培稻，过去用了7000到1万年的驯化。如今，应用新方法，水稻从头驯化可能缩短到几十年甚至几年。

多倍体化是植物最重要的进化事件之一。从二倍体向多倍体演化过程引入了新的遗传信息，因此该驯化策略，还有利于从种质资源角度，保护生物多样性。

翻开作物育种新篇章

这项研究不只是对水稻有价值。证明异源四倍体野生稻快速从头驯化策略高度可行，对未来创制培育新的作物种类具有重要意义。

李家洋介绍，包括小麦和燕麦等粮食作物，烟草、棉花和甘蔗等工业作物在内，许多重要作物都是异源多倍体，它们大多数是天然的异源多倍体物种。

然而，由于人工诱导异源多倍体作物难度大、时间长、耗费大量的人力物力，许多有价值的种质资源没有得到充分利用。

由于极大压缩了作物驯化时间，该方法为农业产值高、遗传背景复杂、驯化潜力大的野生植物的快速驯化开辟了道路，进而为缓解世界粮食危机提供了一种可行的策略。

李家洋团队成员，从左至右分别为余泓、张静昆、孟祥兵

不过，专家表示，仍有相当一部分野生植物无法实现组培再生和基因转化，这阻碍了基因编辑和合成生物学技术应用到其驯化中。此外，有些野生植物存在生殖障碍、基因组不稳定等问题。

攻克这些问题，必须依靠植物基础科学研究的理论创新和技术突破。从头驯化更多新作物，科技界还要很多工作要做。