“祖先”野生稻，优秀刻在基因里！

作者 |张楠

不同种类野生稻

高立志课题组进行野生稻田间表型测量。华南农大供图

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，是中国第一大粮食作物，其产量多年来不断挑战着新高峰。然而被公认为水稻祖先的普通野生稻，却被列为了濒危植物。

事实上，野生稻资源在应对未来水稻稳产高产的挑战中具有重大价值。

由于对生物多样性的认知逐渐深刻，近年来，我国对于野生稻资源的研究、保护和利用也日益受到重视。

华南农业大学基因组学与生物信息学研究中心主任高立志在此领域深耕多年，他认为，栽培稻的驯化过程伴随着遗传多样性的减少和很多优异基因的丢失，因而对于野生稻的保护性研究、科学有效地遏制丰富基因多样性的丢失已刻不容缓。

奠定水稻适应性进化基因组学基础

野生稻在我国南方分布广泛，有大量变异且类型丰富。

而亚洲栽培稻是由其野生祖先种——普通野生稻驯化而来，普通野生稻为全球水稻改良提供了丰富的遗产资源。

在近日发表于《通信生物学》的文章中，高立志课题组首次报道了普通野生稻的高质量、染色体级别的基因组组装结果。

文章第一作者李伟告诉《中国科学报》，由于长期的人工选择和瓶颈效应，在从普通野生稻向亚洲栽培稻的驯化过程中，许多优良等位基因丢失了。

因此，开展野生稻的基因组学研究可以大大地促进对重要复杂农艺性状遗传基础的认识，对水稻遗传育种改良研究具有重要实践意义。

李伟等人将亚洲栽培稻与其两个可能的野生祖先种（尼瓦拉野生稻和普通野生稻）的基因组进行比较分析，鉴定了数百万个基因组变异。

这些丰富的基因组变异信息，尤其是其中遗传效应较大的突变信息，有望为人们认识栽培稻相关重要农艺性状的遗传学基础提供有用信息。

他们的研究还展示了基因特异性扩增引发上述3个稻种生殖隔离的形成机制。

同时，根据基因组对比分析，“我们发现，可能是‘选择压力’促成了大量基因组变化。这些变化构成了在不同生态环境下交配和生殖系统快速进化的遗传基础”。

李伟表示，这些发现为认识野生稻的适应性进化并寻找新基因来源奠定了基础。

遗传资源濒危

华南农业大学副教授张群洁参与了上述工作。她介绍，他们的采样工作是在云南省元江哈尼族彝族傣族自治县完成。

“那里保持了非常原生的环境，长期以来与栽培稻隔离较好，因而采集到的普通野生稻在植物学形态上非常典型，保持了基因组的特征。”

除此之外，世界上几乎很难找到未受杂交渗入的“原汁原味”的野生稻了。

高立志告诉《中国科学报》，普通野生稻经过近万年驯化成为农家品种，又经过近百年的现代育种成为现代栽培稻品种，这一过程伴随着遗传多样性的减少和很多优异基因的丢失。

水稻重大改良过程中的很多重要基因就是来自于普通野生稻，野生稻也被证实含有大量的抗虫、抗病基因资源。

“因此，野生稻资源在保持未来水稻稳产高产、应对全球气候变化的挑战中具有重大价值。”高立志说。

然而，随着现代农业耕地面积的逐渐扩大，普通野生稻的野生栖息地被不断破坏，加上来自栽培稻基因流的遗传侵蚀，野生稻种质资源不断萎缩。

中国分布的三种野生稻——普通野生稻、药用野生稻和颗粒野生稻均被列为国家二级保护植物，其中濒危程度最高的是普通野生稻。

“在中国这样的产稻大国中，野生稻遗传资源的濒危现状已经足以引起我们的警觉。”

高立志表示，对栽培作物及其野生近缘种的研究与保护，是目前全球生物多样性研究的优先项目，而野生稻不仅是现代水稻遗传育种的基础，也是适应未来环境变化和人类需求的变化培育相应品种的前提，在国际上诸多栽培作物及野生近缘种中是最引人注目的。

当野生稻无法再“野蛮生长”

高立志自1994年以来长期开展我国野生稻的群体遗传学、保护生物学以及优异野生稻资源的发掘与利用研究，他曾经作为主要参与者完成了继1978~1982年全国野生稻资源全面普查后的首次全国野生稻资源的全面再普查；完成亚洲栽培稻5个“近亲”的全基因组测序；构建多达8个水稻及其近缘物种的比较与进化基因组学研究框架。

基于华南农业大学在野生稻研究、保护和利用的雄厚基础，他正带领团队延续并加强26年来的工作，开展我国野生稻的保护基因组学研究。

张群洁介绍，由于生殖隔离等原因，目前将野生稻直接用于育种的情况很少见，更多的研究工作是从基因库入手，找出可以利用的基因位点。

“要把近缘祖先的优良资源通过基因测序找出来，需要非常庞大的基因组资源。收集资源本身就是件长期、重要而繁杂的工作。”

她进一步举例说，过去我们为了吃饱饭对于稻米的产量要求更高，而含有其他丰富营养成分的稻种，诸如红米、黑米中的特色基因，在过去的选育过程中被筛选掉了，在目前主推的高产水稻品种中很少保留。

如今，相比吃饱，人们更重视吃好。

因此要把营养、健康相关的基因位点从野生“祖先”处“摘”出来。

高立志指出，这其中就有几项工作要做。

首先，继续加强保护野生稻资源。

一方面是在广东、广西、海南、云南等分布区域建立保护区或保护点，即原位保护；一方面是通过种质资源库等大科学装置或平台展开异位保护。

其次，开展物种形成基因组学研究，解决栽培稻及其近缘野生稻生殖隔离形成的基因组学基础。

由于亲缘关系接近的野生稻与栽培稻杂交不能产生后代或不能产生可育性后代，那么要将野生稻优异基因资源通过杂交育种的方式来利用，生殖隔离就成为了障碍。

再次，利用目前野生稻基因组学的研究基础，充分解析野生稻重要复杂农艺性状以及适应性进化的遗传学基础。

野生稻主要分布在亚洲、美洲、非洲和澳洲的热带、亚热带地区。

除中国分布的3个种，国际上还有20余个野生稻种。

高立志希望与其他国家展开合作，为全球野生稻资源的保护做更有意义的工作。

近期，他还将研究视角放在了野生稻主要生长的热带、亚热带的湿地环境保护上。

高立志说，保护好了全球的野生稻优异种质资源和生境，也就保护好了全球的热带、亚热带地区的湿地环境。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s42003-020-0890-8

《中国科学报》 (2020-08-18 第3版 农业科技)