[上海科技报]中国科学家触碰植物遗传学“圣杯”

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时间:2016-09-09  来源:文本大小:【 |  | 】  【打印

在国际上首次完成水稻产量性状杂种优势全基因组解析

中国科学家触碰植物遗传学“圣杯” 

    

  中国杂交水稻以高产闻名于世,这是中国育种学家们根据杂种优势原理,通过有效的杂交配组实现的。在生命科学进入分子水平之后,杂种优势的遗传学机制是什么?对水稻而言,什么基因调控了让杂交品种变得高产的各种性状?植物分子学家们希望能够回答这些问题。然而,按照传统方法,要准确定位并找到水稻的一个与产量性状相关的基因,需要多年的实验。而拥有12条染色体的杂交水稻基因来自不同品种,相关基因纷繁复杂,又将难度翻了一倍,令研究者望而生畏。 

  但困难不可能永远阻挡研究者的勇气和创新的步伐。昨天,《自然》杂志以长文形式在线刊发了一项由中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所国家基因研究中心韩斌院士研究组、黄学辉研究组与中国水稻研究所杨仕华研究组合作完成的研究论文。他们采用大规模测序+大数据分析的办法,在国际上首次完成了水稻产量性状杂种优势的全基因组解析。 

  中国科学家的手触碰到了植物遗传学研究的“圣杯”。 

  巧解水稻基因“天书” 

  在人类基因组计划完成之后,由30亿个碱基对组成的人类染色体全DNA序列图谱绘制完成。但人们发现,这是一本“无字天书”,对书中的基因及其功能依然知之甚少。解码“天书”,成为生物学家们一直以来的工作。 

  而在中科院上海植生所国家基因研究中心,一本有关杂交水稻优势产量性状的基因“天书”已经被巧妙地解码完成,这本“天书”上有480多个基因。韩斌将这些基因根据不同的功能用不同颜色进行标记,当它们被整合在一张白纸上时,呈现出了一副色彩斑斓的抽象画效果。“我们是从水稻约4万个基因中找到了这480多个基因。”韩斌说,“这不是一件轻松的工作。” 

  事实上,能够从数亿个碱基对中找到一个有用的基因,就如同从漫漫人海中找到一个特定的人一样困难重重。在生命科学领域,一个基因的发现或是一个基因新功能的发现,都可能在国际顶级杂志上发表一篇重量级论文。 

  在基因研究中心,韩斌院士、黄学辉研究员的目标不是一个基因,而是一群基因。因为,调控水稻某一产量性状的基因,通常不是一个,而是多个。基因数量越多,意味着研究越复杂。对此,上海科学家们给出了独创的解决方案。 

  首先,对1495个杂交水稻品种进行测序,找到一个不同性状下发生变化的基因组。由于未发生变异的基因组与该性状无关,此举能缩小排查范围,将性状相关基因锁定在发生变化的基因组序列区域。 

  接着,对17个杂交水稻品种自交产生的10000多个种子“后代”进行全基因测序。由于杂交水稻的后代会发生性状的分离,产生出不同的后代,因此田间产量性状与基因的变异又被关联了起来,进一步缩小了筛选范围。  

  最后,利用计算生物领域的大数据分析手段,可以精确锁定性状相关的多个主要基因。“材料越多样、数量越大,随机程度越高,我们找到目标基因就越精确。”韩斌说。这种多位点、多性状的寻找手段,大大提升了寻找基因的效率。 

  2009年韩斌利用该手段寻找水稻产量性状杂种优势的基因开始,短短8年后,研究人员就已经全面、系统地鉴定出了所有的主要基因位点。速度之快,令人惊叹。 

  为分子设计育种奠定基础 

  480多个基因是如何让杂交水稻的产量提升的?韩斌、黄学辉和杨仕华的研究团队发现,这些基因位点产生了全新的基因型组合,在杂交一代中高效地实现了对水稻花期、株型、产量各要素的理想搭配。有趣的是,少到一个、多至十几个的“少数派”基因,在其中发挥了决定性作用。 

  韩斌举了这样一个例子:一种水稻的分蘖角度是65度左右,能够较好地接触空气,提升单株产量,但水稻间距大,单位面积种植数量少;另一种水稻分叶蘖角度是70度,单株产量低,但水稻间距小,种植数量多;两者的杂交水稻品种分叶角度是68度,兼顾了单株产量与间距,达到最高产量。而分蘖角度就是由一个基因调控的。 

  尽管目前还是一项基础研究成果,但其应用价值已经显而易见。水稻杂交育种学家谢华安院士评价这一工作“既是杂种优势理论的重大突破,又是指导育种的宝贵经验”。植物分子生物学家李家洋院士则认为“这将对水稻研究和生产产生深远的促进作用”。水稻分子遗传学家林鸿宣院士表示“工作对指导分子设计育种有重要意义”。 

  “以前育种依靠的是育种学家们的肉眼观察和经验。”韩斌说,“现在有了全基因组,就如同给育种装上了导航仪。科研人员能够对亲本材料进行高效配组,选育出更加高产、优质和多抗的水稻种质资源。”这就是未来的分子设计育种。 

  通过分子设计育种,科学家们可以将杂种优势基因经过一代又一代的杂交和繁育固定到一个品种中,最终杂交出能够与当地的光、温、水环境契合的“完美”水稻。 

  韩斌透露,在中科院“分子模块设计育种创新体系”先导转向和中科院分子植物科学卓越创新中心的支持下,下一步将把基因解析研究拓展到杂交水稻其他性状和其他杂交农作物中。 

    

  《上海科技报》 201699A1 

  作者:耿挺 

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