▲高測序深度材料的選擇及結(jié)構(gòu)變異分析

3010 份水稻種質(zhì)資源的聚類分析和精細分組
 
　　中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所供圖

        中外16家科研機構(gòu)和高校聯(lián)手，歷經(jīng)7年艱辛付出，完成3010份水稻基因組的深入分析。

         水稻是全球最重要的作物之一。近14億人口的中國2/3的口糧來自于水稻。
 
        自從水稻基因組破譯之后，科學(xué)家一直希望利用全球78萬份水稻種質(zhì)資源，設(shè)計和培育出綠色、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗的水稻新品種。然而，如何將種質(zhì)資源和基因組學(xué)技術(shù)進行整合，將功能基因組研究成果轉(zhuǎn)化為育種家所能利用的分子設(shè)計育種信息，則必須充分了解水稻種質(zhì)資源的基因組信息。
 
        中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所（下稱作科所）研究員黎志康團隊聯(lián)合上海交通大學(xué)、華大基因、中國農(nóng)科院（深圳）農(nóng)業(yè)基因組研究所、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)、美國亞利桑那大學(xué)等16家科研機構(gòu)和高校，歷經(jīng)7年艱辛付出，完成了3010份水稻基因組的深入分析，圓滿回答了上述問題，并為其他農(nóng)作物分子育種體系的建立提供范本。
 
        英國時間4月25日，《自然》雜志以長論文形式在線發(fā)表了上述成果。
 
        中國工程院院士、水稻育種專家萬建民指出，該項研究是中國主導(dǎo)的國際科研協(xié)作的結(jié)果，解析了水稻基因組遺傳多樣性，對水稻起源、分類和基因規(guī)律進行了探討，將推動規(guī)?；净虬l(fā)掘和水稻復(fù)雜性狀分子改良，提高全球水稻基因研究和分子育種水平，加快優(yōu)質(zhì)、廣適、綠色、高產(chǎn)水稻的品種培育。
 
1.2萬個新基因：向精準(zhǔn)育種躍升
 
        “以基因技術(shù)為核心的分子設(shè)計育種，讓水稻育種周期更短、更有針對性，代表了水稻育種的發(fā)展方向。3010份水稻來自全球89個國家和地區(qū)，代表了全球78萬份水稻種質(zhì)資源約95%的遺傳多樣性。”論文作者、作科所副研究員王文生告訴《中國科學(xué)報》記者。
 
        該研究成果構(gòu)建了亞洲栽培稻的泛基因組，發(fā)現(xiàn)了1.2萬個全長新基因和數(shù)千個不完整的新基因。“核心基因比較古老，大多數(shù)的新基因表現(xiàn)更年輕和長度偏短。”論文通訊作者黎志康說，過去人們認為每個個體的基因數(shù)目是相等的，但他們發(fā)現(xiàn)在水稻中并不是這樣。新發(fā)現(xiàn)的1.2萬個全長新基因在水稻參考序列日本晴基因組中是不存在的。
 
        中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員劉春明向記者表示，發(fā)現(xiàn)這么多新基因在他的意料之外。“所有的育種工作都依賴于基因組變異，沒有基因組變異就沒有物種的創(chuàng)新，沒有新品種的培育。這給基因育種提供了非常精確的導(dǎo)向臺。這是極端重要的。”進入全基因組時代，這些變異信息會為將來的精細育種提供非常重要的基礎(chǔ)支撐。
 
        3010份水稻基因組研究成果可以加速水稻的育種進程，國際水稻研究所首席科學(xué)家、國際水稻基因庫主任Ruaraidh Sackville Hamilton博士說：“原來從性狀發(fā)現(xiàn)到品種育成需要40年的時間，現(xiàn)在基于這些數(shù)據(jù)和結(jié)果短短幾年就可以實現(xiàn)。同時可以使我們的育種進程更加有效和精確，使育成品種更能適應(yīng)日益復(fù)雜的生長環(huán)境，減少對環(huán)境的影響，以較少的資源投入獲得較高的產(chǎn)出，以及滿足消費者不斷變化的需求。”華大基因董事長特別顧問王韌告訴記者，這項研究成果“讓我們離國際水稻研究所庫什教授提出的‘設(shè)計水稻’的夢想越來越近”。
 
“秈”“粳”亞種：為亞洲栽培稻恢復(fù)命名
 
        在我國，亞洲栽培水稻中“秈”“粳”兩大亞種早在2000多年前的漢代已被人們所認知，但秈、粳稻的起源和命名在國際上一直存有爭議。
 
        日本學(xué)者加藤茂范于1928年將“秈”和“粳”稱為indica和japonica，并一直沿用至今。從其拉丁文名可以看出，兩個亞種用“印度”和“日本”來命名，錯誤地反映了秈、粳的親緣關(guān)系、地理分布和起源。
 
        我國老一輩著名水稻專家丁穎先生把秈稻定名為秈亞種，粳稻定名為粳亞種。黎志康告訴《中國科學(xué)報》記者，他們的研究通過對大量重要進化相關(guān)基因的單倍型和泛基因組分析發(fā)現(xiàn)，秈稻攜帶的很多基因不存在于粳稻中，粳稻的很多基因也不存在于秈稻中。
 
        此外，不同地理來源的水稻品種群體都帶有特異的基因家族。根據(jù)這些結(jié)果，他們首次提出秈、粳亞種的獨立多起源假說。“indica和japonica亞種是誤導(dǎo)名詞，而‘秈’粳‘是中性名詞。建議恢復(fù)使用秈、粳亞種的正確命名，讓中國源遠流長的稻作文化得到正確認識和傳承。”黎志康說。
 
國內(nèi)外大聯(lián)合、大協(xié)作、大共享
 
        2011年9月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、國際水稻研究所和華大基因共同啟動“全球3000份水稻核心種質(zhì)資源重測序計劃”（3K Rice Genomes Project），拉開了水稻核心種質(zhì)資源全基因組測序和基因組分析的序幕。2014年，3010份水稻基因組測序數(shù)據(jù)于“世界饑餓日”公開發(fā)布于NCBI、DDBJ、GigaScience、阿里云等數(shù)據(jù)庫，于全球共享。
 
        “從四年前就開始數(shù)據(jù)公開、材料分享，已經(jīng)向40余家高校發(fā)放了4萬份材料，就是為了加速信息的使用，加速我國功能基因組平臺和育種平臺的應(yīng)用。全國各個單位對水稻所有的重要農(nóng)業(yè)性狀進行了大規(guī)模的基因發(fā)掘。現(xiàn)在已經(jīng)有一大批的文章產(chǎn)生，這個項目將對我國的水稻研發(fā)起到大規(guī)模的推動作用。”黎志康說。而中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所張學(xué)勇研究員認為，這項工作為種質(zhì)資源和數(shù)據(jù)的共享塑造了典型，其他作物應(yīng)該效仿水稻做類似的工作，為我們國家第三期種質(zhì)庫的建成奠定基礎(chǔ)。
 
        在科技部“863”計劃項目、“十三五”國家重點研發(fā)計劃、比爾及梅琳達·蓋茨基金會、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、科技部國際合作項目和深圳孔雀團隊等項目的資助下，現(xiàn)在已建成SNPs數(shù)據(jù)庫、泛基因組基因數(shù)據(jù)庫，正在建立水稻功能等位基因組數(shù)據(jù)庫，再加上全國多家協(xié)作單位的實驗表型數(shù)據(jù)、功能基因組研究數(shù)據(jù)，最終將建立若干重要數(shù)據(jù)庫和資源信息平臺。
 
        “這些數(shù)據(jù)庫將成為水稻功能基因的研究成果在水稻育種應(yīng)用中的橋梁，開啟后基因組時代的水稻設(shè)計育種。”黎志康說。
 
        “這項研究還充分說明了大數(shù)據(jù)、大平臺的重要性。”王韌曾供職于國際水稻研究所長達7年時間。他說，“3000份水稻基因組研究”這么大體量的成果不是一個PI做成的，而是“十幾個單位合作，它的結(jié)果建成了一個大平臺。下一步出大成果的方向應(yīng)該是大平臺、大數(shù)據(jù)、大協(xié)作”。
 
        農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技教育司副司長汪學(xué)軍指出，該計劃的實施對全球水稻基因資源的深層挖掘利用、基因知識產(chǎn)權(quán)的獲取、作物育種技術(shù)的更新升級，以及人才培養(yǎng)具有重要的戰(zhàn)略意義，也為我們其他重要農(nóng)作物分子育種體系的建立提供范例，為推動我國水稻生產(chǎn)再上新臺階奠定了基礎(chǔ)。