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李家洋院士:如何让农业养活全世界?从头驯化野生植物是未来的希望

作者:李家洋、余泓  来源:生物世界  时间:2022-03-16

来源 | 生物世界,ID:ibioworld
撰文 | 李家洋、余泓
编译 | 王聪

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。根据联合国预测,预计到本世纪末,全世界人口将达到100-120亿,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,如何改良作物品种,进一步提高作物单产,是农业科技界不得不面对的难题。

近日,李家洋院士在 Nature Communications 期刊发表了题为:Breeding future crops to feed the world through de novo domestication(通过从头驯化培育未来作物以养活世界)的评论文章。


李家洋院士认为,从头驯化野生植物是一种作物育种新策略,可以应对未来面临的粮食挑战,开启作物育种的新时代。


作物的驯化和从头驯化

作物驯化是通过长期的人工选择来完成的,这导致在各种品种中积累了符合栽培要求的有益突变,如落粒性减少、自花授粉、茎秆变粗、芒长变短、籽粒变大等等。如今,随着新型生物技术特别是基因组编辑的发展,从头驯化(de novo domestication)已被提出作为作物育种的新策略。

原理上,从头驯化策略首先从自然界中选择野生或半野生物种的优良基础材料来满足我们新的育种目标,然后通过遗传和育种工具将驯化相关性状快速引入它们,同时保留其所需特征,最终创造出与当前品种相比具有有益性状的新作物。

从头驯化是创造未来作物的一条有希望的途径。作物驯化育种对人类文明的生存和发展至关重要,从文明起源的野生植物转变为现代栽培品种,耗费了数千年的时间;然而,由于野生植物的密集选择和优良品种的单一栽培,遗传多样性(用不同颜色的原点表示)大大降低。随着技术革命,从头驯化被提出并实践以应对未来的农业挑战,它可以快速选择和驯化优良野生植物,同时保留遗传多样性和相关的优良性状。

新的挑战导致育种目标的转变

自工业革命以来,作物育种目标发生了很大变化。化石燃料产品和现代管理技术的应用,包括化肥、杀虫剂,以及灌溉系统和农业机械的使用,因此,育种目标转向开发高产品种以适应新的耕作系统。一个例子是绿色革命,它的代表是开发能够应对肥料和灌溉而不倒伏的半矮化小麦和水稻品种。在1950年至1984年期间,随着绿色革命更新了全球农业体系,世界粮食产量增加了250%,但能源投入增加了约50倍

然而,未来农业仍面临巨大挑战。首先,据联合国预测,到本世纪末,世界人口估计将达到100-120亿,需要将总粮食生产力至少提高50%以上才能满足需求,但在此之前,化石燃料的使用可能会受到很大限制。其次,世界正面临着快速的气候变化和更加频繁的极端天气条件,这已成为对农业的主要威胁。

人口出生率与人口数量变化趋势

面对这些挑战,进一步提高作物产量的新策略是什么如何培育出对极端天气条件具有高度抵抗力并能够快速适应气候变化的作物? 

这些问题都非常迫切地需要解答。

作物遗传改良的效率

作物育种,一直被认为是一门科学艺术,因为它力求在有限的解决方案空间中通过有限的试验找到最佳答案。因此,育种技术每一次突破的本质都是提高作物遗传改良的效率,从头驯化也是如此。

杂交、诱变、转基因和基因组编辑在遗传改良的不同方面显示出巨大的优势。杂交可以通过基因重组整合来自不同亲本的数以万计的基因,但其随后的选择需要筛选多代的大量种群。设计育种策略通过监测基因型大大提高了选择效率,但通常一次只能监测和整合少量基因。诱变可以产生由随机突变引起的新等位基因,但是,基于现有的知识和技术,即使不是不可能,也很难预测随机诱变的结果。尽管在突变和重组过程中使用了科学工具来推动新品种的产生,但它们的发生仍然是随机的,难以控制。

相比之下,转基因可以将感兴趣的基因递送到基因组中,基因组编辑能够精确地修改基因组中的目标DNA,并越来越多地使我们能够做出非常有针对性、特异性和可预测的改变。因此,这两种技术的结果是可以预测的。然而,由于通量的限制以及基因组编辑和转基因的成本,需要优先考虑决定农艺学重要性状的基因。


我们人类的祖先对作物驯化的选择是偶然发现具有驯化表型的植物,例如欧洲和亚洲的小麦,中国和东南亚的水稻,中美洲的玉米

随着技术的快速发展,我们可以从自然界所有的野生植物中选择最好的起始原材料,利用现有作物的野生近缘种,通过考察新品种来扩大作物的选择范围,即作物野生近缘种的重新驯化和新野生物种的从头驯化。

此外,从头驯化策略需要整合有限数量的基因,因此它比其他遗传改良策略更有效,因为它是一种基于知识的育种。许多从头驯化的靶基因是经过充分研究的关键驯化相关基因,而不是那些有益但难以克隆的基因。

与其他遗传改良策略所针对的功能未知的有益基因相比,驯化相关基因的数量要少得多。一般认为,从头驯化策略可分为四个步骤:1)选择合适的起始材料;2)建立有效的转化系统和带注释的参考基因组;3)编辑驯化相关基因,然后进行育种和田间评价;4)品种登记。

从头驯化的途径看似很简单,但实际上,上述四个步骤中的每一个或所有步骤都可能成为野生物种甚至一些栽培作物的技术瓶颈。以大豆为例,转化和基因组编辑系统仍然很难建立或效率很低。对于许多野生物种来说,仍然缺乏带注释的参考基因组、驯化相关基因的知识和/或强大的基因组编辑系统。

从头驯化策略的示范

最近,从头驯化已在多个物种中得到成功证明。一个例子是通过驯化栽培品种的野生近缘种来检索“古老精英基因”。在过去的农业实践中,育种目标不时发生变化,这导致了当时被认为无用的等位基因的丢失。因此,科学家和育种工作者试图从野生物种中检索有益的等位基因以进行再野生化育种(re-wild breeding)

然而,这些基因,如抗病基因,受多个位点控制,难以克隆、杂交或基因组编辑。相比之下,利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,驯化相关性状被成功地引入到抗逆野生番茄种质中,部分实现了高效再野生化育种的目标。地樱桃(也叫灯笼果)(Physalis pruinosa,是一种与番茄关系较远的孤儿作物,可以通过编辑番茄驯化相关基因的直系同源基因来快速改良以提高产量。


灯笼果

2021年2月,李家洋院士、梁承志研究员、高彩霞研究员、余泓副研究员等在 Cell 发表了题为:A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice 的研究论文。


该研究首次提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略,旨在最终培育出新型多倍体水稻作物,从而大幅提升粮食产量并增加环境变化适应性。该研究对未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略,开辟了全新的作物育种方向,未来四倍体水稻新作物的成功培育将有望对世界粮食生产带来颠覆性的革命。

该研究提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化新策略具体分为“四个阶段”:第一阶段,收集并筛选综合性状最佳的异源四倍体野生稻底盘种质资源;第二阶段,建立野生稻快速从头驯化技术体系,其中包括三个核心点,即高质量参考基因组的绘制和基因功能注释,高效遗传转化体系,和高效基因组编辑技术体系;第三阶段,品种分子设计与快速驯化,包括重要农艺性状基因注释及基于基因组信息的品种分子设计,重要农艺性状基因的功能验证,多基因编辑及聚合,及田间综合性状评估;第四阶段,新型水稻作物推广应用。

李家洋团队已经获得了不同的编辑品系,这些品系在重要的农艺性状方面有各种改进,包括株高、无芒、落粒、茎粗或抽穗日期等等。


该研究说明了创造一种新作物品种的新的途径,该品种保留了野生异源四倍体水稻的优势,并显示出比目前栽培的二倍体品种更高的产量和更好地适应环境压力的潜力。

除了野生番茄地樱桃异源四倍体水稻外,许多具有独特优势的野生物种也可能适合作为从头驯化的起始原材料,例如藜麦产橡胶植物以及猕猴桃马铃薯胡椒和其他作物的野生近缘种。盎然,这还需要付出巨大的努力来充分验证它们是否可以被创造出新的优良作物。


虽然从头驯化比传统育种效率更高,但不同编辑等位基因的筛选和表型评估、大规模多重编辑和目标基因分型以及数十个编辑基因的金字塔化是费力且昂贵的。根据要编辑的基因数量和野生植物的生长周期,创造出在田间条件下表现良好的真正作物的时间可能从几年到几十年不等。但考虑到生物技术发展非常迅速,这些瓶颈很可能在不久的将来被克服。

我们乐观地认为,从头驯化等策略将应用于其他作物物种,这可能会开启作物育种的新时代。

论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28732-8
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.013


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