利用基因编辑技术，快速减缓绿色革命带来的“遗传侵蚀”效应

撰文 | 胡兴明 博士 （中国水稻研究所）

上世纪50—70年代，育种家将小麦，水稻等主要农作物的一些高秆农家品种导入赤霉素缺失或者信号受阻的半矮秆株型基因，变得耐肥，抗倒，加之当时的化肥工业高速发展，化学肥料更加容易获得，极大地促进了半矮秆作物在生产上的应用。这些人类为主食的谷物收获指数得以大幅提高。正是由于粮食产量的增加，满足二战之后全世界人口大量增加的需求，人类迎来一个长期和平安定时期。因此，人们把这场农作物育种巨大成就称为“绿色革命”，以小麦育种家诺曼博洛格为代表的半矮秆育种学家们于1970年荣获诺贝尔和平奖【1】。

曾大力研究员手持高秆品种为"绿色革命"前农家种（钱前 摄，1996年）

水稻“绿色革命”基因，即Semi-Dwarf1 (SD1) ，编码赤霉素合成途径一个GA20-2氧化酶 【2】 。在已知发现的突变种质里，该基因突变之后，植株高度由最初高秆降为半矮秆，虽然穗型减小，但分蘖会有一定程度的增加，最为重要的是结实率不受矮秆基因突变而引起降低，这是到目前为止，水稻中发现的其他所有的矮秆基因无法比拟的优点。正是这个基因突变，会有很多有利多效性状，而且在高肥力条件，更加耐密植，决定产量各因素之间相互协调，因此从一开始被引入改良地方品种中，就开始显示其产量优势并很快成为主流品种。

图1. 8个不同自发等位突变的sd1变异体

我国是栽培水稻的起源地，栽培稻种植的历史悠久，稻种资源十分丰富。我国水稻育种在绿色革命之前，虽然有意识的有性杂交选育品种还非常少，但民国时期中国育种家就利用中国大量地方品种筛选出少数综合农艺性状好且适应性广的品种，例如在南方稻区最具代表性的南特号，胜利籼等从上世纪三十年代至六十年代，一直是长江中下游稻区主栽品种【3】。这些品种在绿色革命育种时期，也自然成为几个携带有半矮秆基因自发突变水稻品种最为主要的杂交亲本。需要特别指出的是，水稻的半矮秆株型育种或者说绿色革命，其实是在国际水稻所和中国南方稻区相对分别独立完成。

早在2007年，中国水稻研究所种质创新课题组与日本名古屋大学科学家合作鉴定出了当时世界上几乎所有自发突变的sd1突变应用于籼粳稻育种的材料，发现这些自发等位突变的sd1变异体有7个，其中有四个在籼稻育种应用最广泛，而其余三个应用于粳稻中相对多，粳稻里的sd1突变应用于生产上的品种不多【4】。这在一定程度上说明，在sd1不同位置突变和突变的背景不同，对育种的效应可能也会存在影响。然而无论是国际水稻所利用的低脚乌尖台湾本地种，还是中国最初利用矮仔占（1941年甘利南先生引自印度尼西亚）在SD1基因座位突变位点是完全一样，都是著名的383bp缺失突变。基于民俗学，基因组特征初步分析和我们已经发现中国其他省份地方品种也含有383bp突变的结果，这2个半矮秆品种很可能最早存在于中国南方，随人口迁移传播出去的。这也提示我们当初国际水稻所利用半矮秆低脚乌尖品种与印尼高秆品种皮泰杂交选育IR 系列品种与中国利用矮仔占与本地已经筛选出少数高秆品种杂交选育品种亲缘关系相对较近。

不仅如此，我国农民科学家洪春利和洪群英，在“南特16号”田中发现两株自然变异水稻，植株矮化，抗倒伏，高产，比“南特16号”高产30%，育成了“矮脚南特”品种。自发突变矮脚南特作为重要半矮秆亲本来源，与矮仔占和少数高秆品种杂交又产生新的带有这2个品种血缘关系的衍生系。七、八十年代，中国水稻研究所引进了斯里兰卡的BG90-2品种，该品种其实也是与IR8品种血缘关系有比较近的亲缘关系。我国科学家利用其为重要亲本与我国本土的半矮秆资源亲本杂交选育出著名的9311（扬稻6号）品种。目前虽然我们并不清楚，9311本身携带的sd1突变位点来源哪里，但至少明确这个突变与我国绝大数的籼稻三系保持系中携带的sd1突变是一致的。这也说明含有9311类型sd1突变的品种之间的亲缘关系也是相对较近。此外，中国现代品种还利用印尼水田谷半矮秆种质育成了窄叶青八号品种，但这些品种的应用面积不是很大，而且后代衍生系的比例很少。总而言之，水稻在绿色革命时期育成的半矮秆品种其实是极个别半矮秆突变种质与极少数综合性状好的高秆品种杂交选育出来的系列品种，这些品种之间其实很多有利性状控制的等位基因都是类似，很多染色体结构也是一样的。当然这种育种的效率是十分高效，这也是半矮秆品种为何迅速在东南亚和中国沿海地区得以大面积推广并占据市场统治地位的原因。我国后来发明的杂交籼稻之所以能够很快成功也是与绿色革命时期育成这些不同地理半矮秆水稻品种组合有关，由于它们在亲缘关系不是很远，彼此间能很好亲和并能发挥特殊配合力，这也是杂交稻成功的关键。

然而，自从这些半矮秆水稻品种应用大面积水稻种植以来，随着各国农业工业化不断发展，很多国家的地方种质正在以惊人速度在流失，而单一化的品种占有的面积逐年增多，潜在的生物与非生物风险也在逐年加大，同时群体内遗传多样性逐渐减少，有利种质逐渐丧失。这种“遗传侵蚀”的概念其实早在绿色革命成功实践不久的上世纪70-80年代，著名遗传学家冈彦一先生就敏锐地预测了这一后果并着重提出【5】。从中国水稻目前现状来看，确实可以看到我国目前品种的同质化现象十分严重且新的水稻优良特性获得十分困难，更为可怕的是，很多优良种质由于得不到有效保护，正在以惊人速度丧失。

对于中国与东南亚许多以水稻为主食这样的发展中国家，在保持可持续发展的同时，必须优先满足粮食需求和农村发展，因此当前超高产半矮秆（杂交）水稻仍然是第一保证。我们认为，利用基因编辑工具，对已经保存的大量高秆农家品种进行半矮秆sd1基因的编辑，可以大量且迅速获得单一位点破坏的，但仍然保留其他优良农艺性状特点的种质，这比当初仅仅依靠自发等位突变的sd1基因再通过杂交，回交等多代依靠遗传重组获得改良品系，不仅有效率上优势，更重要是可以更大程度上保留地方品种优良特性。在育种有利等位基因转移效率上可以比较的是，当年我国著名杂交粳稻育种家李铮友先生历时至少5年的时间才把sd1-383突变回交至云南著名的毫木西，毫秕等软米中育成的滇屯，滇瑞系列优质软米品种系列【6】；而利用基因编辑技术，一年就可以获得半矮秆植株的毫木西品系。

为扩大sd1突变基因在育种有利的种质利用范围，提高当前育种亲本的遗传多样性和寻求sd1更有利等位突变。我们选择了aus生态型代表品种Kasalath和越南著名广谱性抗稻瘟病品种特特普，进行SD1靶位点编辑【7】。考虑特特普的抽穗晚的特性，我们同时还对Se5抽穗期基因进行编辑，这些编辑都很成功，我们获得了携带有新的不同等位突变sd1变异体，还获得带有sd1se5双突变的特特普编辑株系。令人欣喜的是，至少2个带有新的sd1突变的kasalath株系在同样栽培条件下表现出比kasalath增产的趋势；同时，特特普编辑成半矮秆的株系，其广谱的抗稻瘟病的特性不仅没有减少，相反有一定程度上增加，可见这种种质可以更加方便地在育种利用上。

表1：Kasalath是Aus生态型品种，有多个耐穗发芽，耐低磷基因

表2：特特普含有的广谱抗性基因位点

在该研究中，我们只选取2个代表性外地种质编辑的实例。一是考虑中国本地种没有aus类型【8】，虽然这种类型水稻植株高大，茎秆较软，容易倒伏，但是这类品种通常都是具备很好抗旱，耐低磷且大多带有广亲和基因；二是我们南方稻区稻瘟无毒小种容易变异而对水稻致病，利用广谱性抗性水稻品种进行直接改良或许比过去杂交选育方法可能更有效率。结果显示，利用基因编辑这2个品种的半矮秆基因，获得有利半矮秆株型同时，在kasalath新编辑的半矮秆品系中，不仅能够保持其耐低磷的特性，而且还增加其抵抗穗发芽的能力；同时在特特普半矮秆株系里，也依然能保持特特普特有的广谱抗性特征。当前的机械化生产要求的水稻品种类型依然是半矮秆株型，选育半矮秆品种适应当下农业生产将是长期育种目标，而在维持粮食安全同时，保护好水稻遗传资源，并在保护中利用，CRISPR-Cas9相关的大量基因编辑工具无疑为我们提供极大便利和应对未来危机的准备【9】。

上述研究成果于2019年12月13日以Using CRISPR-Cas9 to generate semi-dwarf rice lines in elite landraces为题发表在Scientific Reports上。中国水稻研究所胡兴明博士为论文的第一作者，钱前研究员为通讯作者。

钱前研究员，高秆品种为"绿色革命"代表品种IR8亲本之一皮泰（摄于2005年）

参考文献

1. 戴小枫, 程高祥, 刘继芬. 第一次绿色革命与CGIAR系统的贡献[J]. 世界农业, 1997(12).

2. Sasaki, A. et al. Green revolution: a mutant gibberellin-synthesis gene in rice. Nature 416, 701-702(2002).

3. 林世成，闵绍楷. 中国水稻品种及其系谱. 上海科学技术出版社 1991

4. Asano, K. et al. Genetic and Molecular Analysis of Utility of sd1 Alleles in Rice Breeding. Breeding science 57, 53-58 (2007).

5. 冈彦一 著， 徐云碧 译， 游修龄 校 《水稻进化遗传学》 p168-p169

6. 李铮友等，香软米滇屯502 的选育 云南农业大学学报 14（1），1999

7. Xingming Hu. et al. Using CRISPR-Cas9 to generate semi-dwarf rice lines in elite landraces. Scientific Report, 2019, 9:19096

8. Caihong Wang, et al. Genetic diversity and classification of Oryza sativa with emphasis on Chinese rice germplasm. Heredity, 2014, 112(5):489-496

9. Anzalone, A. V. et al. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature, 2019 Oct 21. pii: 10.1038/s41586-019-1711-4. doi: 10.1038/s41586-019-1711-4.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-019-55757-9