隨著世界人口的快速增長，至2050年糧食產(chǎn)量或?qū)⒃黾?0%才能完全滿足需求。與此同時，近年來世界氣候變化加劇，全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)等都為糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，如何進一步提高作物單產(chǎn)成為亟待解決的嚴(yán)峻問題。
中國科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院／遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團隊首次提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，旨在最終培育出新型多倍體水稻作物，從而大幅提升糧食產(chǎn)量并增加作物環(huán)境變化適應(yīng)性。相關(guān)研究成果2021年2月4日發(fā)表于《細胞》。
李家洋提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略“藍圖”一共分為四個階段。第一階段，是在全球范圍內(nèi)收集并篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻底盤種質(zhì)資源。
他們通過與國內(nèi)外同行合作、整理已有的種質(zhì)資源，確定了具有最大生物量及最強脅迫抗性的目標(biāo)材料“CCDD型”，一共收集了28份異源四倍體野生稻資源，并通過對組培再生能力、基因組雜合度及田間綜合性狀等進行系統(tǒng)考察，篩選出一份高稈野生稻資源作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，并將其命名為多倍體水稻1號 （PPR1）。
第二階段，研究團隊歷時近4年突破了三大技術(shù)瓶頸，建立野生稻快速從頭馴化技術(shù)體系，包括高質(zhì)量參考基因組的繪制和基因功能注釋、高效遺傳轉(zhuǎn)化體系和高效基因組編輯技術(shù)體系。
通過團隊的不懈努力，PPR1遺傳轉(zhuǎn)化效率可達80%，轉(zhuǎn)化苗再生效率最高達40%以上。研究人員利用最新的測序技術(shù)及基因組組裝策略，組裝完成了首個異源四倍體水稻參考基因組，該基因組大小為894.6Mb，是栽培稻的兩倍左右，共注釋出了81000多個高可信度基因，并進一步系統(tǒng)分析了四倍體水稻的基因組特征。
功能基因組的解析為下一步對重要農(nóng)業(yè)性狀進行快速馴化打下了堅實基礎(chǔ)。第三階段——品種分子設(shè)計與快速馴化，包括重要農(nóng)藝性狀基因注釋及基于基因組信息的品種分子設(shè)計、重要農(nóng)藝性狀基因的功能驗證、多基因編輯和聚合以及田間綜合性狀評估等。
研究人員還進一步驗證了這一設(shè)想的可行性，他們注釋了栽培稻中10個馴化基因及113個重要農(nóng)藝性狀基因在異源四倍體野生稻中的同源基因，系統(tǒng)分析其同源性，并進一步對PPR1中控制落粒性、芒長、株高、粒長、莖稈粗度及生育期的同源基因進行了基因編輯，成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時間不同程度縮短的各種基因編輯材料�！�
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2022年2月刊 封面)