高立志團隊破解水稻“祖先”野生稻優秀刻在基因里

　　水稻是世界上最重要的糧食作物之一，是中國第一大糧食作物，其產量多年來不斷挑戰著新高峰。然而被公認為水稻祖先的普通野生稻，卻被列為了瀕危植物。

不同種類野生稻。（華南農業大學供圖）

　　事實上，野生稻資源在應對未來水稻穩產高產的挑戰中具有重大價值。

　　由于對生物多樣性的認知逐漸深刻，近年來，我國對于野生稻資源的研究、保護和利用也日益受到重視。華南農業大學基因組學與生物信息學研究中心主任高立志在此領域深耕多年，他認為，栽培稻的馴化過程伴隨著遺傳多樣性的減少和很多優異基因的丟失，因而對于野生稻的保護性研究、科學有效地遏制豐富基因多樣性的丟失已刻不容緩。

　　奠定水稻適應性進化基因組學基礎

　　野生稻在我國南方分布廣泛，有大量變異且類型豐富。而亞洲栽培稻是由其野生祖先種——普通野生稻馴化而來，普通野生稻為全球水稻改良提供了豐富的遺產資源。

　　在近日發表于《通信生物學》的文章中，高立志課題組首次報道了普通野生稻的高質量、染色體級別的基因組組裝結果。

　　文章第一作者李偉告訴《中國科學報》，由于長期的人工選擇和瓶頸效應，在從普通野生稻向亞洲栽培稻的馴化過程中，許多優良等位基因丟失了。因此，開展野生稻的基因組學研究可以大大地促進對重要復雜農藝性狀遺傳基礎的認識，對水稻遺傳育種改良研究具有重要實踐意義。

　　李偉等人將亞洲栽培稻與其兩個可能的野生祖先種（尼瓦拉野生稻和普通野生稻）的基因組進行比較分析，鑒定了數百萬個基因組變異。這些豐富的基因組變異信息，尤其是其中遺傳效應較大的突變信息，有望為人們認識栽培稻相關重要農藝性狀的遺傳學基礎提供有用信息。

　　他們的研究還展示了基因特異性擴增引發上述3個稻種生殖隔離的形成機制。同時，根據基因組對比分析，“我們發現，可能是‘選擇壓力’促成了大量基因組變化。這些變化構成了在不同生態環境下交配和生殖系統快速進化的遺傳基礎”。李偉表示，這些發現為認識野生稻的適應性進化并尋找新基因來源奠定了基礎。

　　遺傳資源瀕危

　　華南農業大學副教授張群潔參與了上述工作。她介紹，他們的采樣工作是在云南省元江哈尼族彝族傣族自治縣完成。“那里保持了非常原生的環境，長期以來與栽培稻隔離較好，因而采集到的普通野生稻在植物學形態上非常典型，保持了基因組的特征。”除此之外，世界上幾乎很難找到未受雜交滲入的“原汁原味”的野生稻了。

　　高立志告訴《中國科學報》，普通野生稻經過近萬年馴化成為農家品種，又經過近百年的現代育種成為現代栽培稻品種，這一過程伴隨著遺傳多樣性的減少和很多優異基因的丟失。

　　水稻重大改良過程中的很多重要基因就是來自于普通野生稻，野生稻也被證實含有大量的抗蟲、抗病基因資源。“因此，野生稻資源在保持未來水稻穩產高產、應對全球氣候變化的挑戰中具有重大價值。”高立志說。

　　然而，隨著現代農業耕地面積的逐漸擴大，普通野生稻的野生棲息地被不斷破壞，加上來自栽培稻基因流的遺傳侵蝕，野生稻種質資源不斷萎縮。中國分布的三種野生稻——普通野生稻、藥用野生稻和顆粒野生稻均被列為國家二級保護植物，其中瀕危程度最高的是普通野生稻。

　　“在中國這樣的產稻大國中，野生稻遺傳資源的瀕危現狀已經足以引起我們的警覺。”高立志表示，對栽培作物及其野生近緣種的研究與保護，是目前全球生物多樣性研究的優先項目，而野生稻不僅是現代水稻遺傳育種的基礎，也是適應未來環境變化和人類需求的變化培育相應品種的前提，在國際上諸多栽培作物及野生近緣種中是最引人注目的。

　　當野生稻無法再“野蠻生長”

　　高立志自1994年以來長期開展我國野生稻的群體遺傳學、保護生物學以及優異野生稻資源的發掘與利用研究，他曾經作為主要參與者完成了繼1978~1982年全國野生稻資源全面普查后的首次全國野生稻資源的全面再普查；完成亞洲栽培稻5個“近親”的全基因組測序；構建多達8個水稻及其近緣物種的比較與進化基因組學研究框架。

　　基于華南農業大學在野生稻研究、保護和利用的雄厚基礎，他正帶領團隊延續并加強26年來的工作，開展我國野生稻的保護基因組學研究。

　　張群潔介紹，由于生殖隔離等原因，目前將野生稻直接用于育種的情況很少見，更多的研究工作是從基因庫入手，找出可以利用的基因位點。“要把近緣祖先的優良資源通過基因測序找出來，需要非常龐大的基因組資源。收集資源本身就是件長期、重要而繁雜的工作。”

　　她進一步舉例說，過去我們為了吃飽飯對于稻米的產量要求更高，而含有其他豐富營養成分的稻種，諸如紅米、黑米中的特色基因，在過去的選育過程中被篩選掉了，在目前主推的高產水稻品種中很少保留。如今，相比吃飽，人們更重視吃好。因此要把營養、健康相關的基因位點從野生“祖先”處“摘”出來。

　　高立志指出，這其中就有幾項工作要做。

　　首先，繼續加強保護野生稻資源。一方面是在廣東、廣西、海南、云南等分布區域建立保護區或保護點，即原位保護；一方面是通過種質資源庫等大科學裝置或平臺展開異位保護。

　　其次，開展物種形成基因組學研究，解決栽培稻及其近緣野生稻生殖隔離形成的基因組學基礎。由于親緣關系接近的野生稻與栽培稻雜交不能產生后代或不能產生可育性后代，那么要將野生稻優異基因資源通過雜交育種的方式來利用，生殖隔離就成為了障礙。

　　再次，利用目前野生稻基因組學的研究基礎，充分解析野生稻重要復雜農藝性狀以及適應性進化的遺傳學基礎。

　　野生稻主要分布在亞洲、美洲、非洲和澳洲的熱帶、亞熱帶地區。除中國分布的3個種，國際上還有20余個野生稻種。高立志希望與其他國家展開合作，為全球野生稻資源的保護做更有意義的工作。

　　近期，他還將研究視角放在了野生稻主要生長的熱帶、亞熱帶的濕地環境保護上。高立志說，保護好了全球的野生稻優異種質資源和生境，也就保護好了全球的熱帶、亞熱帶地區的濕地環境。