（通訊員 余四斌 肖景華）近日，我校張啟發(fā)教授聯(lián)合美國亞利桑那大學(xué)Rod A.Wing教授和紐約大學(xué)Michael D. Purugganan教授系統(tǒng)綜述了水稻基因組學(xué)的最新研究進(jìn)展以及綠色超級(jí)稻的基因組育種策略，倡導(dǎo)開展全球范圍的廣泛合作對(duì)大量基因組重測序的水稻品種資源進(jìn)行大規(guī)模的高通量表型分析，發(fā)掘和鑒定野生種和栽培種中自然發(fā)生的優(yōu)異有利基因，加快綠色超級(jí)稻的培育與應(yīng)用，并提出綠色超級(jí)稻的基因組育種實(shí)踐可以作為其他作物品種培育及全球作物可持續(xù)發(fā)展的模式或范例。該綜述 “水稻基因組革命：從古老的糧食作物到綠色超級(jí)稻”以封面文章的形式發(fā)表于《自然綜述-遺傳學(xué)》（Nature Reviews Genetics）。張啟發(fā)教授為文章的共同通訊作者。
水稻作為世界上最重要的糧食作物和基因組學(xué)研究的模式植物。近年來，其基因組學(xué)研究發(fā)展迅速，取得了許多重大突破和成果。但如何將基因組學(xué)的研究成果廣泛應(yīng)用于作物生產(chǎn)，以保障世界糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是所有遺傳育種工作者所面臨的巨大挑戰(zhàn)。該文總結(jié)了全球開展水稻基因資源和基因組育種研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，圍繞綠色超級(jí)稻的育種目標(biāo)，提出了解決這一挑戰(zhàn)的可行方案。
2007年張啟發(fā)教授在《美國科學(xué)院院刊》上發(fā)表“綠色超級(jí)稻培育的策略”。系統(tǒng)闡述了“綠色超級(jí)稻”的理念，提出將品種資源研究、功能基因組研究和育種緊密結(jié)合培育綠色超級(jí)稻，得到國際和國內(nèi)同行的廣泛認(rèn)可和積極響應(yīng)。經(jīng)過10年的發(fā)展，綠色超級(jí)稻具有更豐富的內(nèi)涵和可操作性，在高產(chǎn)的基礎(chǔ)上，將大量減少農(nóng)藥、化肥的用量，節(jié)水，食味更優(yōu)更富有營養(yǎng)，能適應(yīng)土壤貧瘠條件和減少溫室氣體的排放，建設(shè)資源節(jié)約和環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。綠色超級(jí)稻已成為全球水稻育種的主要目標(biāo)之一。2009年比爾和梅琳達(dá)蓋茨基金會(huì)啟動(dòng)“為亞洲和非洲資源貧窮地區(qū)培育綠色超級(jí)稻”國際合作重大項(xiàng)目。我國于2010年啟動(dòng)實(shí)施了綠色超級(jí)稻重大項(xiàng)目。目前，具有單個(gè)綠色性狀（如抗稻瘟病、抗褐飛虱、抗旱、養(yǎng)分高效利用）的水稻品種已經(jīng)在我國和亞洲國家大面積種植，并在部分非洲國家進(jìn)行了生產(chǎn)示范。綠色超級(jí)稻的培育與應(yīng)用對(duì)于保障全球糧食安全，發(fā)展資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色農(nóng)業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。
水稻栽培種及其野生近緣種存在豐富的遺傳變異，蘊(yùn)藏著大量的重要性狀的有利基因，可以用于綠色超級(jí)稻的培育。水稻已有幾千年的栽培歷史，擁有兩個(gè)栽培種（亞洲稻和非洲稻）。最近深入研究亞洲稻和非洲稻的基因組多樣性表明，兩者具有獨(dú)立而平行的起源馴化途徑。它們?cè)隈Z化和傳播過程中還出現(xiàn)了不同生態(tài)型的分化，如亞洲栽培稻的秈稻和粳稻等亞種。比較基因組和功能基因組學(xué)的研究還發(fā)現(xiàn)，在傳播、適應(yīng)馴化和人工選擇的過程中，許多基因組關(guān)鍵區(qū)域或重要基因具有適應(yīng)性進(jìn)化和人工選擇的特征，被優(yōu)先選擇而保留下來。這些特征和基因?yàn)檫x育適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境的綠色超級(jí)稻奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。
全球水稻科學(xué)家也一直在探究解碼水稻遺傳變異的機(jī)制，尋找更多可用于綠色超級(jí)稻培育的有用基因。截止2017年底，水稻已有2996個(gè)基因的生物學(xué)功能被解析。這些基因?yàn)閷?shí)現(xiàn)綠色超級(jí)稻的育種目標(biāo)提供了豐富的基因資源，推動(dòng)了水稻傳統(tǒng)育種向更加精準(zhǔn)和快速的基因組育種的轉(zhuǎn)變。文章列舉了一批符合綠色超級(jí)稻育種目標(biāo)的有利基因，如抗病蟲、抗逆、營養(yǎng)高效利用、增產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)等；并針對(duì)不同性狀基因的功能特征，提出了相應(yīng)的基因組設(shè)計(jì)和選擇方案。例如，針對(duì)不同抗性機(jī)制的抗白葉枯病基因，我們可以采用基因聚合的方式有效提高水稻對(duì)白葉枯病的抗性；而針對(duì)抗稻瘟病基因，因其相似的抗病機(jī)制，構(gòu)建含不同稻瘟病基因的近等基因系，培育多系品種增加持久抗性，則會(huì)具有更好的效果。
目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已完成10000多份的水稻資源基因組重測序，包括27個(gè)稻屬代表品系以及3000多份國際水稻核心品種的基因組重測序工作，建立了高質(zhì)量的秈稻和粳稻的參考基因組。將水稻重測序基因組數(shù)據(jù)與高質(zhì)量參考基因組比較，有助于檢測跨越稻屬基因組的絕大多數(shù)基因序列變異或基因型的多樣性。另外，基于溫室和田間的高通量表型平臺(tái)的迅速發(fā)展，將基因型信息與高通量的表型聯(lián)系起來，對(duì)創(chuàng)建數(shù)字化的基因庫，最大化利用基因庫的價(jià)值，以及弄清更多綠色性狀的關(guān)鍵基因功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、快速鑒定適合于綠色超級(jí)稻品種的功能基因都具有重要的作用。
當(dāng)然，在廣泛的生態(tài)系統(tǒng)下，如何將自然種質(zhì)基因組的序列變異與表型建立關(guān)聯(lián)，是當(dāng)前最急迫和最具有挑戰(zhàn)的任務(wù)。作者倡議全球水稻科學(xué)家與國際水稻研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，開發(fā)高通量表型平臺(tái)，對(duì)水稻重測序品種進(jìn)行大規(guī)模高通量的表型分析，對(duì)特定性狀如農(nóng)藝性狀、谷粒性狀、根形態(tài)建成等進(jìn)行分析和評(píng)估，所有數(shù)據(jù)集中存放于一個(gè)公共的數(shù)據(jù)庫（如SNP-Seek），這將為國際上培育適應(yīng)不同地域環(huán)境和不同需求的綠色超級(jí)稻提供信息資源平臺(tái)。
值得提出的是，我國農(nóng)業(yè)部2017年印發(fā)的《主要農(nóng)作物品種審定標(biāo)準(zhǔn)（國家級(jí)）》文件提出了“突出綠色發(fā)展，有利于節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥的品種審定”等原則，為綠色品種的選育打開了官方認(rèn)證通道。綠色超級(jí)稻的目標(biāo)正在成為其他作物的育種目標(biāo)。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41576-018-0024-z
審核人：張啟發(fā)
【作者介紹】
Rod A.Wing，基因組學(xué)研究學(xué)者，亞利桑那大學(xué)教授，亞利桑那大學(xué)基因組研究所所長。
Michael D. Purugganan，植物分子進(jìn)化和基因組學(xué)研究學(xué)者，紐約大學(xué)基因組與系統(tǒng)生物學(xué)中心教授。
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