从头驯化野生作物

南方周末特约撰稿 汤波

二倍体栽培稻(左)和异源四倍体野生稻(右)。（《细胞》杂志/图）

现在常见的作物品种均是经过漫长的时间从野生物种驯化而来，而目前作物育种仍然离不开野生物种的贡献。不过在驯化和育种过程中，野生物种的一些优良性状逐渐丢失，如营养素含量高、抗病、耐盐碱等特性。最近，科学家提出了一种“从头驯化”（De novo domestication）策略，即利用基因编辑技术，将现代栽培种的重要驯化基因引入野生种，使得野生种与现代栽培种的优良性状聚合，从而实现野生作物的快速改良。2021年3月4日，国际著名学术期刊《细胞》（Cell）报道了中国科学院李家洋院士和高彩霞研究员等团队在异源四倍体野生水稻种从头驯化上取得的重大突破。

驯化造成有益性状丢失

据估计，到2050年，全球人口数量将比目前增加25%，接近100亿人。目前主要粮食作物产量增长速度，还无法满足人口增长的需求，需要通过新的作物育种手段来快速提高作物的单产水平。不过，作物单产并非简单地追求生长快，还需要兼顾抗虫、抗病、耐旱、耐寒、耐盐碱等特性，否则一场蝗灾或一次旱灾，就可能断送农民全年的希望，再高产的品种也是白费。与此同时，随着生活水平的提高，人们对作物的营养价值和品质的追求也在不断增加，这些都是作物育种家们要重点考虑的问题。

12000年前，中东和新月沃地的人们开始驯化第一批粮食作物，开启了农业文明。之后，中国、中美洲、安第斯山脉、大洋洲、撒哈拉以南非洲和北美东部等地区的人们也驯化出各种作物。截止到目前，估计约有超过2500种植物被人类不同程度地驯化过，其中约有300种为完全驯化，约有150种以上的驯化作物被世界各地的农民种植。不过，据世界粮农组织预测，现代人类约90%的能量消耗都是来自15种作物，其中小麦、玉米和大米贡献了2/3的能量。

除了延续上万年的驯化栽培，近一百多年的作物育种技术的发展也让作物的特性发生了巨大变化。但是这种变化，既有好的一面，也有不好的一面。好的一面当然是育种技术进步让产量快速提升，不好的一面则是长期驯化和育种改良让作物原本存在的抗病、抗虫、耐寒、营养品质等相关的性状丢失。例如，自1950年以来，花椰菜中的铁下降了32％，锌下降了37％；与野生小麦相比，现代小麦品种的耐旱能力显著降低；现在我们经常吃到的甜玉米蛋白质含量只相当于墨西哥一些野生玉米的1/10。

这些重要营养元素的减少和重要抗性性状的丢失，主要因为在驯化和品种培育过程中，传统育种方法往往无法同时兼顾产量、营养成分和抗病力等性状的选择，比如高产是作物育种的第一目标，当重点选择产量时，营养成分含量就可能减少，抗盐碱性也可能丢失。要将这些众多优良性状聚集在同一品种中，利用第一代表型选择育种技术和第二代杂交育种技术几乎不可能实现这一目标，第三代转基因育种技术也比较费劲，只有第四代作物育种技术——基因编辑育种技术才能让这一育种目标变成现实。

长期驯化和育种改良会让作物原本存在的抗病、耐寒、营养品质等相关的性状丢失。（视觉中国/图）

从野生番茄开始

2017年3月，巴西圣保罗大学的拉萨罗·尤斯塔基·佩雷拉·佩雷斯 （Lázaro Eustáquio Pereira Peres） 教授和同事首次提出“从头驯化”策略，即利用CRISPR/Cas9等基因编辑技术，将一些控制产量、营养品质、抗性等特性的基因引入到野生种中，使其产量等主要经济性状快速达到目前的商业品种水平，又能保留现有品种在长期驯化过程中业已丢失的特性，从而培育出更优良的作物新品种。

在提出这种作物育种新策略的同时，佩雷斯教授团队已开始着手在西红柿上验证这种理论。之所以选择野生番茄，一方面是因为番茄是目前世界上最重要的蔬菜性水果，年产量达1亿吨以上；另一方面是因为世界上现存十多种野生番茄种，便于选择最适合的野生种进行改良。

2018年10月，佩雷斯教授团队在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）发表了他们的最新研究成果，展现出基因编辑“从头驯化”技术的巨大潜力，巴西维科萨联邦大学的奥古斯丁·佐根（Agustin Zsogon）和美国明尼苏达大学的汤姆斯·塞马克（Tomas Cermak）是这项研究的共同第一作者。研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对野生番茄进行一次性逆向遗传工程操作，共修饰了与现代番茄品种产量和品质相关的6个基因，这些基因涉及番茄的生长习性、果实形状和大小、果实数和营养品质等性状。这种基因编辑使得原本只有豌豆大小的野生番茄果实增大了3倍，每个植株上的果实数量增多了10倍，果实中番茄红素含量比野生西红柿增加了1倍，而比现在广泛栽培的番茄品种增加了5倍，从而实现了野生番茄的快速从头驯化。

就在同一期杂志，来自中国科学院遗传与发育研究所的高彩霞研究员团队也展示了类似的研究成果。高彩霞团队与巴西团队一样，利用基因编辑加速驯化同一个野生番茄，不过基因编辑策略和涉及基因稍微不同。高彩霞团队采取多重基因编辑的方法，精准靶向开花光周期敏感性、株型和果实同步成熟控制、果实大小控制和维生素C合成酶等基因，在不牺牲野生番茄对盐碱和疮痂病天然抗性的前提下，将产量和品质性状精准地导入了野生番茄，加速了野生植物的人工驯化。通过基因编辑，这些野生番茄开花的光周期敏感性被消除，从而不再受到原产地光照环境的限制，同时野生番茄的果实变大，植株变得紧凑，果实数量也大幅增加。另外，盐处理和疮痂病菌接种实验表明，上述重要农艺性状的精准导入并没有影响野生番茄的天然抗性。

从头驯化野生水稻

作为一个较为理想的试验材料，野生番茄从头驯化被中外科学家多次实现，不过更令人期待的则是野生作物种的从头驯化。2021年3月4日，《细胞》杂志报道了 李家洋院士 与 高彩霞研究员 等人合作的最新研究成果，该研究团队首次提出了野生异源四倍体水稻的从头驯化路线图，并进行了实验验证。

该团队首先提出了野生水稻从头驯化的路线图，共分为四个阶段。第一阶段，筛选综合性状最佳的异源四倍体野生稻；第二阶段，建立野生稻快速从头驯化技术体系，其中包括三个核心点，即高质量参考基因组的绘制和基因功能注释，高效遗传转化体系和基因组编辑技术体系；第三阶段，设计并利用多重基因编辑快速导入栽培稻的驯化基因，以及田间评估；第四阶段，新型水稻作物推广应用。

该团队首先从28个实验材料中筛选出了一种来自南美的异源四倍体野生水稻，由两种不同的二倍体野生水稻种杂交而成。该野生稻种比目前栽培的二倍体水稻种具有更大的生物量，以及更强的生物和非生物抗性。不过，这种野生异源四倍体水稻缺乏参考基因组，而且存在转化效率低和再生困难等缺陷，因此后续基因编辑操作难度较大。

接下来，高彩霞和李家洋等人带领研究团队通过多种测序技术，获得了首个野生稻种的参考基因组图谱，并对基因组结构特点和基因功能进行注释，发现该四倍体野生稻的基因组是二倍体栽培稻的二倍，并具有更多的抗性相关基因，解释了其抗性更强的原因；同时该团队优化遗传转化体系，使得该野生稻的组织转化效率可达80%，转化苗再生效率也达40%，完全可用于基因编辑；在此基础上，研究人员成功构建了多基因编辑体系，实现了基因敲除、单碱基替换两种基因组编辑。

第三步，研究人员利用上述基因编辑体系，对控制落粒性、芒长、株高、粒长、茎秆粗度及生育期等基因进行了基因敲除和单碱基替换等基因编辑，成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的各种基因编辑材料。这项研究证明，通过基因编辑从头驯化，可将异源四倍体野生稻开始驯化成一个主要水稻栽培品种，从而为水稻和其他粮食作物快速育种提供了新的策略。

本期《细胞》杂志还刊发了中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员和朱健康院士的评论文章。他们认为这项研究既是野生谷物的首次从头驯化研究，也是四倍体作物的首次从头驯化研究，预示着通过基因编辑从头驯化，可以培育出一种新型主粮作物，以保障全球粮食安全，同时也标志着一个作物育种新浪潮，即通过使用精确的基因组编辑技术快速驯化具有所期望性状的农作物，将会有更多的野生作物被从头驯化成一系列栽培品种。