“3000份水稻基因组”项目告诉我们

水稻育种走向分子设计之路

2018年05月15日11:15  来源:科技日报
 

未来的水稻将会怎样育种?也许“3000份水稻基因组”研究项目能告诉我们。

“3000份水稻基因组”研究是由中国主导的国际间科研大协作项目,近日《自然》杂志发表项目组重大成果。项目组成员、论文第一作者、中国农业科学院作物科学研究所副研究员王文生在接受科技日报记者专访时表示,项目建立了基于水稻基因组信息的数据库和应用平台,将提升规模化优良基因发掘和水稻分子育种效率,开启了“后基因组时代的水稻设计育种”,实现传统“经验育种”向现代“精准育种”的跃升。

代表78万份水稻95%以上遗传多样性

作为目前植物界最大的基因组测序工程,项目组对亚洲栽培稻群体进行了当今最为精细的种群分类,揭示了水稻种内丰富的群体结构和遗传多样性,构建了全球首个接近完整、高质量的亚洲栽培稻的泛基因组,发现了1.2万个水稻新基因,为水稻分子设计育种提供了新基因资源。

水稻是我国的主要粮食作物,我国水稻遗传育种水平一直走在世界前列。不过,面对气候变化、资源短缺以及供给侧改革的新形势,传统育种方法难以满足对资源节约型、环境友好型育种模式的技术需求。因此,对水稻核心种质资源进行大规模测序分析,挖掘基因组变异和优良基因等,对持续培育突破性水稻新品种具有重大的理论和战略意义。

于是,在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了“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”,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。这3000份材料的取样并非是随意的,而是经过严格的分层取样,来源于全球89个国家。也就是说,这代表了78万份水稻的3000份样本,体现了95%以上的遗传多样性。

论文的共同第一作者、华大基因高级信息分析师太帅帅说,经过长达850天的持续努力,共产生17T(1T等于1024G)的测序原始数据;发现了蕴藏在水稻种质资源中巨量的自然多态性变异,其中包括2900万个单核苷酸多态性(SNPs)、250万个插入缺失标记(InDels)和9万个结构变异。

获得2900万个新基因导航位点

我国科学家们将会怎样使用这些研究数据?

论文的共同第一作者、中国农科院在读博士生吴志超说,首先是规模化发掘3000份核心种质中影响水稻农艺性状的等位基因,比如对稻瘟病、白叶枯等的抗病性,抗旱、耐盐等重要性状,营养高效、微量元素缺乏耐性、食用品质相关性状等。“水稻的几万个基因中,现在功能已明确的也就3000个左右。要想了解其他基因的功能,必须对存在不同变异的基因序列和相应的表型进行比较分析,确定基因是否和性状有关系,哪种变异在粮食生产或其他方面表现更好。”

其次,当科学家们知道各种基因有什么功能、哪种类型的基因更有利时,就可直接去基因数据中找到对应的品种,对这些品种进行利用。

“此次研究获得了2900万个新的导航位点,为培育优良品种、尽可能整合优良性状、去除劣性性状等奠定了基础。我们还将利用这批数据建立一个系统的水稻育种数据库,将其作为分子设计育种的有利工具,分子育种速度将大幅提高。”王文生说,项目为水稻种质创新和新品种培育同时提供了数据基础和种质资源。

为水稻基因组编辑奠定基础

过去五年,在生命科学领域所产生最大的、革命性的新技术就是基因编辑。这套技术将完全改变农业研究的步伐,但技术本身依赖于基因组的发现。

王文生说,3000个水稻基因组中有相当部分是基因的变异。“我们能非常有效地对基因组任何一个位点进行调整改变,也可以对变异的任何一个位点进行修饰,甚至是敲除掉。这是未来基因组研究的热点。”也就是说,3000个基因组的研究为我国水稻基因组编辑奠定了雄厚基础。

王文生举例说,水稻中还有一些基因的属性不明确,比如某种基因是籼稻特有的还是粳稻特有的,是否与籼粳稻分化有关?有了3000个基因组的数据库,科研人员很快就可以回答这些问题了。

“总之,该研究成果将推动水稻规模化基因发掘和水稻复杂性状分子改良,提升全球水稻基因组研究和分子设计育种水平,加快培育优质、高产、广适、绿色、多功能水稻新品种。”王文生说。

(责编:陈晨、韩庆)
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