为育种技术变革配备“导航仪”

来源：文汇报   发布者：亦云   日期：2016-09-08  

9月8日，《自然》杂志在线刊发了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所韩斌、黄学辉研究组联合中国水稻所杨仕华团队，关于水稻产量性状杂种优势的全基因组解析的研究成果。 　　杂种优势是一种复杂的生物学现象，育种学家利用水稻杂种优势提高农产品产量已经多年，不过这一现象背后的遗传机理一直以来不完全清楚。中国科学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研究组、黄学辉研究组联合中国水稻研究所杨仕华研究组日前取得一项科研成果，从基因组层面揭开了植物杂种优势的遗传密码。今天，国际知名学术期刊　《自然》　杂志在线发表了这一科研成果。 　　植物杂种优势遗传机制的研究被称为是植物遗传学研究的“圣杯”，之所以研究如此困难，是因为影响因素太多。据中科院院士韩斌介绍，研究充分利用了大数据方法，对1495份杂交稻品种和其中17套代表性遗传群体的10000个亲本后代植株进行基因组测序，发现在水稻的4.3万个基因中，大部分基因是相同的，而若干位点上的不同基因正是导致水稻品种不同的原因。 　　“比如影响口味的有三个主效基因，而三种基因分别又有三种表现为优、良、中的变异基因型，如果这三种基因型是随机分布在不同的水稻品种材料基因组中，那么想要得到口感最佳的水稻，通过随机杂交组合也只有大约1/27的概率。”韩斌说。 　　著名水稻杂交育种专家、中科院院士谢华安对这一工作评价为“既是杂种优势理论的重大突破，又是指导育种的宝贵经验。”事实上，在不清楚杂种优势原理之前，育种专家不得不起早贪黑，在田间地头寻找从外观上能够代表优势性状的植株进行杂交，而这多少有点“碰运气”的成分，只有从分子层面深入了解杂种优势的遗传基础，才能实现杂种优势的高效利用，推动育种技术的变革。深入了解杂种优势的原理后，科研人员育种如同配备了“导航仪”，比如想要选出产量高的水稻品种时，只要挑选花期、株型等控制水稻产量性状基因的最优配置就行。 　　据透露，这一研究方法还能推广到玉米、大豆等多种农作物遗传育种中去，以水稻为例，现在的杂交育种通常需要8-10年出一个优良品种，用上配备“导航仪”的新方法后，有望3-5年就育成一个新品种。 　　上个世纪70年代开始，我国育种学家率先开展了水稻杂种优势利用研究,陆续通过三系法、两系法等途径培育出大量杂交水稻材料, 包括“汕优63”、“两优培九”在内的一些高产杂交稻品种得到了大面积推广,大幅度提高了水稻产量，为我国的粮食安全做出了巨大贡献。杂交稻的高产来自对水稻杂种优势现象的有效利用，在一些优异的杂交配对组合中，杂交稻的产量表现可以大大超越它们的纯合亲本。杂种优势的产生是由双亲基因组互作的结果，是一种复杂的生物学现象，然而这一现象背后的遗传机理一直以来不完全清楚。只有深入了解杂种优势的遗传基础，才能实现杂种优势的高效利用,推动育种技术的变革。 　　9月8日，《自然》杂志在线刊发了中国科学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研究组、黄学辉研究组联合中国水稻所杨仕华团队取得的一项成果，题为“水稻产量性状杂种优势的全基因组解析”(Genomic architecture of heterosis for yield traits in rice)。 　　这项研究通过大量的杂交稻品种材料的收集以及对多套代表性杂交稻遗传群体进行基因组分析和田间产量性状考察，综合利用基因组学、数量遗传学及计算生物学领域的最新技术手段，全面、系统地鉴定出了控制水稻杂种优势的主要遗传（数量性状或基因）位点，详细剖析了三系法、两系法和亚种间杂种优势的遗传机制。研究表明，这些遗传位点在杂合状态时大多表现出不完全显性，通过杂交育种产生了全新的基因型组合，从而在杂交一代高效地实现了对水稻花期、株型、产量各要素的理想搭配，形成杂种优势。如传统三系杂交稻组合中，父本（恢复系）聚集了较多的优良等位基因，综合性状配置优良；在此基础上，来自母本（不育系/保持系）的少数等位基因则进一步改善了水稻植株的结实率、穗粒数（如hd3a基因）及株型（如tac1基因），实现了杂交组合子一代的优势表现。这些发现对推动杂交稻和常规稻的精准分子设计育种实践有重大意义。利用这项研究成果，科研人员有望进一步优化水稻品种的杂交改良，实现对亲本材料的高效选育和配组，服务于具有高配合力特性的亲本材料和聚合双亲优点的常规稻材料的创制和改良，选育出更加高产、优质和多抗的水稻种质资源。 　　该研究得到了中国科学院先导专项(“分子模块设计育种创新体系”) 和国家自然科学基金委的经费资助以及中国科学院分子植物科学卓越创新中心的支持。（植生生态所）

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