從頭馴化野生作物

南方周末特約撰稿 湯波

二倍體栽培稻（左）和異源四倍體野生稻（右）?！　都?xì)胞》雜志　?圖

長(zhǎng)期馴化和育種改良會(huì)讓作物原本存在的抗病、耐寒、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等相關(guān)的性狀丟失。　視覺中國(guó)　?圖

利用基因編輯技術(shù)，將現(xiàn)代栽培種的重要馴化基因引入野生種，可以實(shí)現(xiàn)野生作物的快速改良。

現(xiàn)在常見的作物品種均是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間從野生物種馴化而來(lái)，而目前作物育種仍然離不開野生物種的貢獻(xiàn)。不過(guò)在馴化和育種過(guò)程中，野生物種的一些優(yōu)良性狀逐漸丟失，如營(yíng)養(yǎng)素含量高、抗病、耐鹽堿等特性。最近，科學(xué)家提出了一種“從頭馴化”（De novo domes-tication）策略，即利用基因編輯技術(shù)，將現(xiàn)代栽培種的重要馴化基因引入野生種，使得野生種與現(xiàn)代栽培種的優(yōu)良性狀聚合，從而實(shí)現(xiàn)野生作物的快速改良。2021年3月4日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院李家洋院士和高彩霞研究員等團(tuán)隊(duì)在異源四倍體野生水稻種從頭馴化上取得的重大突破。

馴化造成有益性狀丟失

據(jù)估計(jì)，到2050年，全球人口數(shù)量將比目前增加25%，接近100億人。目前主要糧食作物產(chǎn)量增長(zhǎng)速度，還無(wú)法滿足人口增長(zhǎng)的需求，需要通過(guò)新的作物育種手段來(lái)快速提高作物的單產(chǎn)水平。不過(guò)，作物單產(chǎn)并非簡(jiǎn)單地追求生長(zhǎng)快，還需要兼顧抗蟲、抗病、耐旱、耐寒、耐鹽堿等特性，否則一場(chǎng)蝗災(zāi)或一次旱災(zāi)，就可能斷送農(nóng)民全年的希望，再高產(chǎn)的品種也是白費(fèi)。與此同時(shí)，隨著生活水平的提高，人們對(duì)作物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)的追求也在不斷增加，這些都是作物育種家們要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

12000年前，中東和新月沃地的人們開始馴化第一批糧食作物，開啟了農(nóng)業(yè)文明。之后，中國(guó)、中美洲、安第斯山脈、大洋洲、撒哈拉以南非洲和北美東部等地區(qū)的人們也馴化出各種作物。截止到目前，估計(jì)約有超過(guò)2500種植物被人類不同程度地馴化過(guò)，其中約有300種為完全馴化，約有150種以上的馴化作物被世界各地的農(nóng)民種植。不過(guò)，據(jù)世界糧農(nóng)組織預(yù)測(cè)，現(xiàn)代人類約90%的能量消耗都是來(lái)自15種作物，其中小麥、玉米和大米貢獻(xiàn)了2/3的能量。

除了延續(xù)上萬(wàn)年的馴化栽培，近一百多年的作物育種技術(shù)的發(fā)展也讓作物的特性發(fā)生了巨大變化。但是這種變化，既有好的一面，也有不好的一面。好的一面當(dāng)然是育種技術(shù)進(jìn)步讓產(chǎn)量快速提升，不好的一面則是長(zhǎng)期馴化和育種改良讓作物原本存在的抗病、抗蟲、耐寒、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等相關(guān)的性狀丟失。例如，自1950年以來(lái)，花椰菜中的鐵下降了32％，鋅下降了37％；與野生小麥相比，現(xiàn)代小麥品種的耐旱能力顯著降低；現(xiàn)在我們經(jīng)常吃到的甜玉米蛋白質(zhì)含量只相當(dāng)于墨西哥一些野生玉米的1/10。

這些重要營(yíng)養(yǎng)元素的減少和重要抗性性狀的丟失，主要因?yàn)樵隈Z化和品種培育過(guò)程中，傳統(tǒng)育種方法往往無(wú)法同時(shí)兼顧產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)成分和抗病力等性狀的選擇，比如高產(chǎn)是作物育種的第一目標(biāo)，當(dāng)重點(diǎn)選擇產(chǎn)量時(shí)，營(yíng)養(yǎng)成分含量就可能減少，抗鹽堿性也可能丟失。要將這些眾多優(yōu)良性狀聚集在同一品種中，利用第一代表型選擇育種技術(shù)和第二代雜交育種技術(shù)幾乎不可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，第三代轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)也比較費(fèi)勁，只有第四代作物育種技術(shù)——基因編輯育種技術(shù)才能讓這一育種目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)。

從野生番茄開始

2017年3月，巴西圣保羅大學(xué)的拉薩羅·尤斯塔基·佩雷拉·佩雷斯（Lázaro Eustáquio Pereira Peres）教授和同事首次提出“從頭馴化”策略，即利用CRISPR/Cas9等基因編輯技術(shù)，將一些控制產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、抗性等特性的基因引入到野生種中，使其產(chǎn)量等主要經(jīng)濟(jì)性狀快速達(dá)到目前的商業(yè)品種水平，又能保留現(xiàn)有品種在長(zhǎng)期馴化過(guò)程中業(yè)已丟失的特性，從而培育出更優(yōu)良的作物新品種。

在提出這種作物育種新策略的同時(shí)，佩雷斯教授團(tuán)隊(duì)已開始著手在西紅柿上驗(yàn)證這種理論。之所以選擇野生番茄，一方面是因?yàn)榉咽悄壳笆澜缟献钪匾氖卟诵运?，年產(chǎn)量達(dá)1億噸以上；另一方面是因?yàn)槭澜缟犀F(xiàn)存十多種野生番茄種，便于選擇最適合的野生種進(jìn)行改良。

2018年10月，佩雷斯教授團(tuán)隊(duì)在《自然·生物技術(shù)》（Nature Bio-technology）發(fā)表了他們的最新研究成果，展現(xiàn)出基因編輯“從頭馴化”技術(shù)的巨大潛力，巴西維科薩聯(lián)邦大學(xué)的奧古斯丁·佐根（Agus-tin Zsogon）和美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的湯姆斯·塞馬克（Tomas Cer-mak）是這項(xiàng)研究的共同第一作者。研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對(duì)野生番茄進(jìn)行一次性逆向遺傳工程操作，共修飾了與現(xiàn)代番茄品種產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)的6個(gè)基因，這些基因涉及番茄的生長(zhǎng)習(xí)性、果實(shí)形狀和大小、果實(shí)數(shù)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等性狀。這種基因編輯使得原本只有豌豆大小的野生番茄果實(shí)增大了3倍，每個(gè)植株上的果實(shí)數(shù)量增多了10倍，果實(shí)中番茄紅素含量比野生西紅柿增加了1倍，而比現(xiàn)在廣泛栽培的番茄品種增加了5倍，從而實(shí)現(xiàn)了野生番茄的快速?gòu)念^馴化。

就在同一期雜志，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所的高彩霞研究員團(tuán)隊(duì)也展示了類似的研究成果。高彩霞團(tuán)隊(duì)與巴西團(tuán)隊(duì)一樣，利用基因編輯加速馴化同一個(gè)野生番茄，不過(guò)基因編輯策略和涉及基因稍微不同。高彩霞團(tuán)隊(duì)采取多重基因編輯的方法，精準(zhǔn)靶向開花光周期敏感性、株型和果實(shí)同步成熟控制、果實(shí)大小控制和維生素C合成酶等基因，在不犧牲野生番茄對(duì)鹽堿和瘡痂病天然抗性的前提下，將產(chǎn)量和品質(zhì)性狀精準(zhǔn)地導(dǎo)入了野生番茄，加速了野生植物的人工馴化。通過(guò)基因編輯，這些野生番茄開花的光周期敏感性被消除，從而不再受到原產(chǎn)地光照環(huán)境的限制，同時(shí)野生番茄的果實(shí)變大，植株變得緊湊，果實(shí)數(shù)量也大幅增加。另外，鹽處理和瘡痂病菌接種實(shí)驗(yàn)表明，上述重要農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)導(dǎo)入并沒有影響野生番茄的天然抗性。

從頭馴化野生水稻

作為一個(gè)較為理想的試驗(yàn)材料，野生番茄從頭馴化被中外科學(xué)家多次實(shí)現(xiàn)，不過(guò)更令人期待的則是野生作物種的從頭馴化。2021年3月4日，《細(xì)胞》雜志報(bào)道了高彩霞研究員與李家洋院士等人合作的最新研究成果，該研究團(tuán)隊(duì)首次提出了野生異源四倍體水稻的從頭馴化路線圖，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

該團(tuán)隊(duì)首先提出了野生水稻從頭馴化的路線圖，共分為四個(gè)階段。第一階段，篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻；第二階段，建立野生稻快速?gòu)念^馴化技術(shù)體系，其中包括三個(gè)核心點(diǎn)，即高質(zhì)量參考基因組的繪制和基因功能注釋，高效遺傳轉(zhuǎn)化體系和基因組編輯技術(shù)體系；第三階段，設(shè)計(jì)并利用多重基因編輯快速導(dǎo)入栽培稻的馴化基因，以及田間評(píng)估；第四階段，新型水稻作物推廣應(yīng)用。

該團(tuán)隊(duì)首先從28個(gè)實(shí)驗(yàn)材料中篩選出了一種來(lái)自南美的異源四倍體野生水稻，由兩種不同的二倍體野生水稻種雜交而成。該野生稻種比目前栽培的二倍體水稻種具有更大的生物量，以及更強(qiáng)的生物和非生物抗性。不過(guò)，這種野生異源四倍體水稻缺乏參考基因組，而且存在轉(zhuǎn)化效率低和再生困難等缺陷，因此后續(xù)基因編輯操作難度較大。

接下來(lái)，高彩霞和李家洋等人帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種測(cè)序技術(shù)，獲得了首個(gè)野生稻種的參考基因組圖譜，并對(duì)基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基因功能進(jìn)行注釋，發(fā)現(xiàn)該四倍體野生稻的基因組是二倍體栽培稻的二倍，并具有更多的抗性相關(guān)基因，解釋了其抗性更強(qiáng)的原因；同時(shí)該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化遺傳轉(zhuǎn)化體系，使得該野生稻的組織轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%，轉(zhuǎn)化苗再生效率也達(dá)40%，完全可用于基因編輯；在此基礎(chǔ)上，研究人員成功構(gòu)建了多基因編輯體系，實(shí)現(xiàn)了基因敲除、單堿基替換兩種基因組編輯。

第三步，研究人員利用上述基因編輯體系，對(duì)控制落粒性、芒長(zhǎng)、株高、粒長(zhǎng)、莖稈粗度及生育期等基因進(jìn)行了基因敲除和單堿基替換等基因編輯，成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長(zhǎng)變短、株高降低、粒長(zhǎng)變長(zhǎng)、莖稈變粗、抽穗時(shí)間不同程度縮短的各種基因編輯材料。這項(xiàng)研究證明，通過(guò)基因編輯從頭馴化，可將異源四倍體野生稻開始馴化成一個(gè)主要水稻栽培品種，從而為水稻和其他糧食作物快速育種提供了新的策略。

本期《細(xì)胞》雜志還刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱新廣研究員和朱健康院士的評(píng)論文章。他們認(rèn)為這項(xiàng)研究既是野生谷物的首次從頭馴化研究，也是四倍體作物的首次從頭馴化研究，預(yù)示著通過(guò)基因編輯從頭馴化，可以培育出一種新型主糧作物，以保障全球糧食安全，同時(shí)也標(biāo)志著一個(gè)作物育種新浪潮，即通過(guò)使用精確的基因組編輯技術(shù)快速馴化具有所期望性狀的農(nóng)作物，將會(huì)有更多的野生作物被從頭馴化成一系列栽培品種。