▲高測序深度材料的選擇及結構變異分析

3010 份水稻種質資源的聚類分析和精細分組
 
　　中國農科院作物科學研究所供圖

        中外16家科研機構和高校聯(lián)手，歷經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，科學家一直希望利用全球78萬份水稻種質資源，設計和培育出綠色、優(yōu)質、高產、多抗的水稻新品種。然而，如何將種質資源和基因組學技術進行整合，將功能基因組研究成果轉化為育種家所能利用的分子設計育種信息，則必須充分了解水稻種質資源的基因組信息。
 
        中國農業(yè)科學院作物科學研究所（下稱作科所）研究員黎志康團隊聯(lián)合上海交通大學、華大基因、中國農科院（深圳）農業(yè)基因組研究所、安徽農業(yè)大學、美國亞利桑那大學等16家科研機構和高校，歷經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的國際科研協(xié)作的結果，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)模化水稻基因發(fā)掘和水稻復雜性狀分子改良，提高全球水稻基因研究和分子育種水平，加快優(yōu)質、廣適、綠色、高產水稻的品種培育。
 
1.2萬個新基因：向精準育種躍升
 
        “以基因技術為核心的分子設計育種，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《中國科學報》記者。
 
        該研究成果構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千個不完整的新基因。“核心基因比較古老，大多數的新基因表現(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。
 
        中國農業(yè)科學院作物科學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)在基于這些數據和結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日益復雜的生長環(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‘設計水稻’的夢想越來越近”。
 
“秈”“粳”亞種：為亞洲栽培稻恢復命名
 
        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《中國科學報》記者，他們的研究通過對大量重要進化相關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。根據這些結果，他們首次提出秈、粳亞種的獨立多起源假說。“indica和japonica亞種是誤導名詞，而‘秈’粳‘是中性名詞。建議恢復使用秈、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。
 
國內外大聯(lián)合、大協(xié)作、大共享
 
        2011年9月，中國農業(yè)科學院、國際水稻研究所和華大基因共同啟動“全球3000份水稻核心種質資源重測序計劃”（3K Rice Genomes Project），拉開了水稻核心種質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據于“世界饑餓日”公開發(fā)布于NCBI、DDBJ、GigaScience、阿里云等數據庫，于全球共享。
 
        “從四年前就開始數據公開、材料分享，已經向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用。全國各個單位對水稻所有的重要農業(yè)性狀進行了大規(guī)模的基因發(fā)掘。現(xiàn)在已經有一大批的文章產生，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。而中國農業(yè)科學院作物科學研究所張學勇研究員認為，這項工作為種質資源和數據的共享塑造了典型，其他作物應該效仿水稻做類似的工作，為我們國家第三期種質庫的建成奠定基礎。
 
        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、中國農業(yè)科學院科技創(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數據庫、泛基因組基因數據庫，正在建立水稻功能等位基因組數據庫，再加上全國多家協(xié)作單位的實驗表型數據、功能基因組研究數據，最終將建立若干重要數據庫和資源信息平臺。
 
        “這些數據庫將成為水稻功能基因的研究成果在水稻育種應用中的橋梁，開啟后基因組時代的水稻設計育種。”黎志康說。
 
        “這項研究還充分說明了大數據、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，它的結果建成了一個大平臺。下一步出大成果的方向應該是大平臺、大數據、大協(xié)作”。
 
        農業(yè)農村部科技教育司副司長汪學軍指出，該計劃的實施對全球水稻基因資源的深層挖掘利用、基因知識產權的獲取、作物育種技術的更新升級，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作物分子育種體系的建立提供范例，為推動我國水稻生產再上新臺階奠定了基礎。