我們吃的糧食是否完美？是否滿足對健康營養(yǎng)的需求？華中農業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室教授嚴建兵對這些問題的答案是否定的。
“未來糧食的生產目標應是基于人們個性化的需求來供給食物。”嚴建兵團隊近期的一系列成果表明，在保障糧食安全的基礎上，改良或“設計”出一些新作物，將更符合未來農業(yè)的轉型發(fā)展。
重新“組裝” 馴化新作物
如何產出完美、個性化的食物？嚴建兵提出了“再馴化”處于半馴化狀態(tài)的作物，以及“從頭馴化”產生新作物的解決方案。
人類現在食用的大多數農作物，都是先人們在漫長的12000年里從野生植物的祖先那里馴化而來的。在現存的40多萬種植物中，僅約不到100種被馴化成今天可栽培的作物。而人類從糧食中獲得能量的70%僅來自于15種作物，其中玉米、水稻和小麥三大作物占比50%。
而未來的農業(yè)生產面臨著諸多挑戰(zhàn)，如環(huán)境污染、水資源短缺、極端氣候變化、微量營養(yǎng)素缺乏、作物生產效率低等。嚴建兵認為，從根本上改變糧食生產模式，從需求端考慮作物設計，采取條件可控的工業(yè)化生產模式，或有助于解決這些難題與挑戰(zhàn)。
事實上，利用大量已知的模式植物和主要作物在馴化和改良過程中積累的知識，基因編輯技術和大數據技術的突破，正在叩開人類“設計育種”的大門。而且，基于知識驅動的“從頭馴化”可能僅要數年的時間。
“我們可以從眾多的野生和半野生植物中，重新馴化一些新的更符合人類未來需求的新作物，同時為解決日益嚴峻的世界糧食問題提供新的解決方案。”嚴建兵說，“就像搭積木一樣，想要什么樣子就可以組裝成什么樣子，比如給糖尿病人提供糖類轉化率低的糧食等。‘再馴化’的優(yōu)勢在于可以直接利用已經適應種植環(huán)境的處于半馴化的物種。‘從頭馴化’可通過傳統(tǒng)人為選擇和基因組編輯等技術來實現。”
搭建鑒定玉米功能基因的“生產線”
這也意味著，找到適合“編輯”的野生或半野生植物是最關鍵的一步。同時，對影響作物優(yōu)勢性狀的關鍵功能基因的挖掘和解析，也被認為是實現作物“再馴化”和“從頭馴化”的重要課題。
嚴建兵為此提出了實現“從頭馴化”新作物的關鍵步驟：馴化關鍵基因的鑒定，快速實現野生植物到馴化作物的轉變；利用基因編輯等技術實現目標性狀基因網絡的精準調控；提供擁有不同有益性狀的個性化作物，滿足不同人群多樣化的需求。
“從頭馴化”的夢想從實現玉米的復雜數量性狀遺傳解析開始。全球玉米的播種面積、單位產量及總產量均已超過水稻和小麥，因此，玉米產量的遺傳改良對保障世界及中國的糧食安全至關重要。
作物馴化改良的歷史告訴我們，玉米從野生雜草到栽培作物只需要5~6個關鍵基因改變。而產量等農藝和品質性狀的持續(xù)改良，也只有約1200個基因的改變，占基因組總量的3%左右。
“挖掘控制重要性狀的基因是作物遺傳改良的前提和理論基礎。”華中農業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室教授張祖新告訴《中國科學報》，自2009年以來，玉米基因組測序完成并不斷完善。他們團隊近期證實了一個編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的基因KNR6 ，該基因通過影響雌穗小花數目、穗長和行粒數進而控制玉米產量。
“不過，玉米基因組龐大復雜、可穩(wěn)定轉化的品系有限、靶向性及特異性不高、轉化效率較低等問題，也是制約玉米產量功能基因研究的重要問題。”張祖新說。
工欲善其事，必先利其器。這把“利器”便是CRISPR/Cas9基因編輯技術和大數據技術。近年來，CRISPR/Cas9系統(tǒng)的應用已幫助水稻和大豆實現了大規(guī)模突變體資源的創(chuàng)制。
“但這些大規(guī)?；蚓庉嫷难芯恐饕獙RISPR/Cas9作為傳統(tǒng)突變手段的替代品，如何針對植物特性完善從靶標設計到突變序列檢測全流程的高通量體系，如何降低成本挖掘這一新興技術應用后對基因組影響的規(guī)律等，尚缺乏深入研究。”嚴建兵說。
因此，他提出了綜合傳統(tǒng)遺傳定位和高通量靶向基因編輯手段以加速玉米功能基因挖掘的思路。
這一思路相當于為鑒定玉米功能基因組研究搭建了一條高效的“生產線”，從傳統(tǒng)的先“萬里挑一”出功能基因而后對其解析的作物遺傳改良方式，改變?yōu)橹苯訉Τ砂偕锨€功能基因進行解析，大大提高了鑒定效率和成功概率，也降低了成本。
“基于知識驅動和新興技術工具，對作物首先進行很好的設計規(guī)劃而非盲目選擇，實現作物基因再鑒定甚至重新定位，讓作物‘從頭馴化’成為可能。”嚴建兵說。
張祖新也表示，傳統(tǒng)育種和現代育種技術相互依存、不能分割。傳統(tǒng)育種因現代育種技術的介入而實現精準選擇、提高育種效率；現代育種技術只有與傳統(tǒng)育種有機結合、合理地應用到育種的各個環(huán)節(jié)，才能體現出自身的價值和優(yōu)越性。
創(chuàng)新設計遺傳群體
要想實現設想，除了得力的“利器”和高效“生產線”，找到一個合適的“生產對象”（育種材料）也十分重要。
歷經15年，嚴建兵團隊與合作者創(chuàng)新地設計了一種遺傳群體——CUBIC群體（多親本高世代自交群體）。該群體來自于我國四個雜種優(yōu)勢群的24個玉米骨干自交系，研究人員通過兩輪雙列雜交實現了所有親本基因交流，大大縮短了群體發(fā)展周期，接著采用6代開放授粉和6代連續(xù)自交，最終得到1404個自交家系作為優(yōu)異的育種材料，可用于后續(xù)研究。
嚴建兵表示，CUBIC群體融合了育種家的經驗和基礎研究學者的遺傳設計，其在設計之初就將遺傳育種作為重要目標。
相較于傳統(tǒng)遺傳群體，CUBIC設計具有遺傳多樣性高、群體結構不明顯、重組事件更加充分、與育種目標更加密切等諸多優(yōu)勢，這些特點保證了該群體有更高的定位功效，并預期產生可直接應用育種實踐的成果。
近日，研究人員利用CUBIC群體鑒定了600多個關鍵性狀位點及其它重要候選基因，進行了1000多個候選基因的大規(guī)模實驗。研究人員認為，通過調查關鍵性狀基因位點區(qū)間所有基因突變體的表型，就可以鑒定到功能基因，省去了繁雜的精細定位過程。
“通俗來說，我們已經把一個‘水庫’的基因量縮減到了一個‘池塘’的量。那么，下一步就是從‘池塘’中找到關鍵基因，而這將更具挑戰(zhàn)性。”嚴建兵說。
不過，嚴建兵相信，“眾人拾柴火焰高”。CUBIC群體已經共享開放，他們希望以“資源共享，眾籌研究”的方式推動玉米定制化遺傳改良，并以此促進個性化作物“從頭馴化”研究的夢想實現。
相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-020-1930-x；
https://doi.org/10.1105/tpc.19.00934；
https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.03.016；
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14746-7
