作物分子设计育种与从头驯化.pdf

Hereditas(Beijing)2023 年 9 月,45(9):715717 收稿日期:20230830 作者简介:谭禄宾，博士，教授，研究方向：水稻重要性状遗传网络解析、水稻驯化的分子机理。E-mail: 孙传清，博士，教授，研究方向：水稻驯化的分子机理、水稻株型和产量调控分子机理。E-mail: DOI:10.16288/j.yczz.23-237 前 言 作物分子设计育种与从头驯化 谭禄宾，孙传清 中国农业大学农学院，北京 100193 作物驯化和改良是人类文明发展历程中的重要事件。即使在人类文明和科学技术高度发展的今天，通过生物育种持续提高作物产量，确保粮食供给安全，仍是社会发展和稳定的基石。据测算，到 2035年，我国粮食需求总量约为 7 亿吨左右，而按照目前 6 亿吨的产量基数和 95%的基本自给率，要保持年度产需基本平衡，全国每年粮食至少要增产 100亿公斤。因此，充分发挥作物种质资源优势，利用作物功能基因组研究成果，开展作物分子设计育种与从头驯化，突破品种培育的瓶颈，实现新型作物的创制，将是保障现代农业持续发展和国家粮食安全的有效策略之一。遗传 为此特别策划组织了“作物分子设计育种与从头驯化”专刊，从作物种质资源发掘利用、重要农艺性状调控的分子机制、分子设计育种技术和作物从头驯化等方面，梳理和总结了国内外最新进展与发展趋势，以期为未来开展作物分子设计育种与从头驯化研究提供参考。种质资源是农业科技原始创新、可持续发展不可替代的遗传基础。要实现农业绿色发展，就必须从众多的遗传资源中发掘蕴藏着抗病虫、耐逆以及养分、水分高效利用等优异基因的资源，加快突破性新品种的培育。云南大学农学院廉小平等1在 长雄野生稻有利基因的发掘与利用一文中总结了长雄野生稻抗逆、抗病、抗虫以及其他潜在应用价值性状和长雄野生稻地下茎性状的遗传特征，介绍了以地下茎性状分子标记辅助选择为核心的多年生稻分子育种技术体系以及多年生稻生产应用最新进展。同时，探讨了未来利用长雄野生稻开展栽培稻遗传改良和从头驯化的技术路线，为野生种质优异资源的育种应用提供了理论参考。多倍化是新物种形成和进化的重要驱动力之一，现存植物中有超过 70%的物种以多倍体的形式存在。多倍体通常具有明显的表型优势，如器官增大、品质变优、适应性广和抗逆性强等。因此，高产、优质、多抗、广适性新型多倍体作物的创制是确保农业生产可持续发展的重要途径之一。华南农业大学刘向东等2在同源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望一文中总结了同源四倍体水稻及其杂种 F1育性降低方向的细胞学和遗传学机理研究进展，介绍了高育性四倍体水稻的创制与应用成果，进一步探讨了未来新型四倍体水稻杂种优势利用的新途径，为培育符合国家战略需求的新型多倍体水稻品种提供了新的思路。作物功能基因组是进行品种分子设计的重要基础。近年来，这一领域的研究发展迅速，克隆了一批控制产量、品质、耐逆、抗病虫、养分利用等重要性状的关键基因，深入解析了作物重要性状形成的遗传基础，为开展分子设计育种和从头驯化提供了重要理论支撑。湖南文理学院生命与环境科学学院郝小花等3在OsGA3ox 通过合成不同活性 GA 调控水稻育性及株高一文中利用 CRISPR/Cas9 技术 创 制 了 水 稻 赤 霉 素3羟 化 酶(gibberellin 3-hydroxylase，GA3ox)编 码 基 因 OsGA3ox1 和OsGA3ox2 的敲除突变体，发现二者通过影响赤霉素合成，分别具有调控花粉育性和节间伸长的功能，为阐明植物激素赤霉素影响水稻农艺性状形成的分子机理提供参考。华南农业大学郑镇武等4在水稻 qGL3.4 调控籽粒大小与株型 一文中利用水稻染 716 Hereditas(Beijing)2023 第 45 卷 色体单片段代换系，精细定位了控制籽粒大小与株型的 QTLqGL3.4，发现其位于第 3 染色体一个约 239 kb 的区间内，为水稻粒型和株型分子育种提供了新的基因资源。广州大学生命科学学院赖笔威等5在大豆光周期适应性研究进展一文中总结了大豆开花期和生育期的分子调控机理，探讨了大豆驯化过程中光周期适应性的演化机制，提出了大豆开花期和生育期分子设计育种的可能路径。华南农业大学农学院曾瑞儿等6在氮素调控花生共生结瘤的机制研究进展一文中总结了花生根瘤形成的“裂隙侵染”机制以及氮素影响花生结瘤的调控机制领域的最新研究进展，探讨了未来花生根瘤形成分子调控机制研究的重点方向，为培育能够高效固氮的花生新品种提供了理论参考。中国科学院遗传与发育生物学研究所吕倩雯和杨永芳7在植物小肽信号生物学功能及其在作物改良中研究进展一文中总结了植物中小肽-受体介导的信号转导模式的生物学功能以及小肽调控作物产量、品质和抗性等重要农艺性状的分子机制，探讨了未来小肽生物学功能研究重点方向以及利用小肽信号开展作物改良的可能策略。从作物育种技术的发展历程来看，作物育种技术已经经历了 3 个发展阶段。首先是通过有利变异的选择和积累，人类文明起源开始将野生种驯化为能够用于农业生产的栽培种的原始育种或初级育种阶段；其次是在遗传学发展的基础上，采用杂交育种、诱变育种、杂种优势利用等育种方法，更高效的创制与筛选优异变异、培育新品种的常规育种阶段；目前，随着生物科学与技术的发展，已经进入利用分子标记辅助选择、分子设计、转基因、基因组编辑等分子生物学技术进行分子设计育种的新阶段。扬州大学卞中等8在 水稻分子设计育种启示：传统与现代相结合一文中总结了水稻分子标记辅助选择育种及重要性状基因编辑育种的研究进展，基于当前水稻育种现状，提出了传统育种与现代分子技术相结合的育种策略，为进一步优化分子设计育种提供了新的方案。中国科学院遗传与发育生物学研究所陈明江等9在中科发早粳 1 号分子设计育种一文中总结了我国首个应用于农业生产的高产、优质、多抗双季早粳新品种“中科发早粳 1 号”的分子设计育种历程，不仅为我国双季早粳稻产业发展开辟了新的方向，而且为今后开展作物分子设计育种提供了有益借鉴。地球上现存的 40 多万种植物中，仅极少数被驯化为作物，而人类能量摄入主要依赖其中十几种粮食作物。因此，从头驯化一些野生和半野生植物成为满足人类未来需求的新作物，将是应对日益严峻的粮食安全问题的有效解决方案之一。华中农业大学简六梅等10在从头驯化：作物品种设计与培育的新方向 一文中回顾了作物驯化、遗传改良历程，讨论了利用丰富的野生植物资源开展新型作物从头驯化的重要性以及最新的研究进展，分析了从头驯化新型作物的可行性和发展前景。中国科学院遗传与发育生物学研究所田璐妍和黄小珍11在植物开花调控中蛋白质相分离机制在从头驯化中的应用价值一文中提出基于蛋白质相分离机制，对野生植物中调控开花基因表达的关键蛋白质进行功能定向改造，为作物从头驯化中开花习性的分子设计提供了新的方案。未来，随着作物遗传资源精准鉴定评价、重要性状形成机理解析、优良等位基因高效聚合与导入、基因组编辑技术等研究的不断深入，以及作物组学新技术和生物大数据关键信息挖掘方法的发展，作物分子设计育种和从头驯化的理论与技术将不断完善，作物育种也必将迎来新一轮的技术革命。参考文献(References)：1 Lian XP,Huang GF,Zhang YJ,Zhang J,Hu FY,Zhang SL.The discovery and utilization of favorable genes in Oryza longistaminata.Hereditas(Beijing),2023,45(9):765780.廉小平,黄光福,张玉娇,张静,胡凤益,张石来.长雄野生稻有利基因的发掘与利用.遗传,2023,45(9):765780.2 Liu XD,Wu JW,Lu ZJ,Muhammad QS.Autotetraploid rice:challenges and opportunities.Hereditas(Beijing),2023,45(9):781792.刘向东,吴锦文,陆紫君,Muhammad Qasim Shahid.同源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望.遗传,2023,45(9):781792.3 Hao XH,Hu S,Zhao D,Tian LF,Xie ZJ,Wu S,Hu WL,Lei H,Li DP.OsGA3ox genes regulate rice fertility and plant height by synthesizing diverse active GA.Hereditas(Beijing),2023,45(9):845855.第9期 谭禄宾等:作物分子设计育种与从头驯化 717 郝小花,胡爽,赵丹,田连福,谢子靖,吴莎,胡文俐,雷晗,李东屏.OsGA3ox 通过合成不同活性 GA 调控水稻育性及株高.遗传,2023,45(9):845855.4 Zheng ZW,Zhao HY,Liang XY,Wang YJ,Wang CH,Gong GY,Huang JY,Zhang GQ,Wang SK,Liu ZP.qGL3.4 controls kernel size and plant architecture in rice.Hereditas(Beijing),2023,45(9):835844.郑镇武,赵宏源,梁晓娅,王一珺,王驰航,巩高洋,黄金燕,张桂权,王少奎,刘祖培.水稻 qGL3.4 调控籽粒大小与株型.遗传,2023,45(9):835844.5 Lai BW,Chen L,Lu SJ.The current status of photoperiod adaptability in soybean.Hereditas(Beijing),2023,45(9):793800.赖笔威,陈磊,芦思佳.大豆光周期适应性研究进展.遗传,2023,45(9):793800.6 Zeng RE,Geng QH,Gao HK,Pan QQ,Chen TT,Chen Y,Zhang L.Mechanism of symbiotic nodulation between nitrogen and peanut.Hereditas(Beijing),2023,45(9):801812.曾瑞儿,耿庆辉,高恒宽,潘晴晴,陈婷婷,陈勇,张雷.氮素调控花生共生结瘤的机制研究进展.遗传,2023,45(9):801812.7 Lv QW,Yang YF.The advances on the biological func-tions of peptide signaling in plant and potential utilization for crop 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