基因組驅(qū)動的水稻分子設(shè)計育種研究進(jìn)展及展望

王海鵬，蔣李何，馮玉龍，李小艷，羅 濤，李 恩，王 權(quán)，何 林，唐仕姍

（四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川內(nèi)江 641000）

水稻（Oryza sativa）是全球50%以上人口的主糧，中國是世界上最大的稻米生產(chǎn)國和消費國。稻米養(yǎng)活了60%以上的中國人口，占全國攝入總熱量的近40%[1]。隨著人口的增長，可用耕地和水肥資源日益減少，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，生態(tài)環(huán)境的壓力持續(xù)加大，糧食短缺問題將日益嚴(yán)重[2]。尤其是2019 年開始的新冠肺炎疫情和持續(xù)的國際沖突等不利因素疊加，可能會加劇我國糧食安全的潛在風(fēng)險。同時，隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，消費者對稻米品質(zhì)的要求也不斷提高[3]。因此，實現(xiàn)產(chǎn)量、食味品質(zhì)、綠色水稻品種的協(xié)調(diào)、高效、定向改良，是未來水稻育種的主要目標(biāo)。

回顧水稻育種歷程，主要實現(xiàn)了三次飛躍。在這個過程中，水稻育種發(fā)展歷程開始于20 世紀(jì)60 年代對半矮稈基因sd1的利用，經(jīng)歷了雜種優(yōu)勢的利用，再到大量水稻功能基因利用的過程（見圖1）。有研究報道，預(yù)計至2030年，糧食產(chǎn)量需在目前基礎(chǔ)上再增加40%才能滿足人口不斷增加的糧食需求[4-5]。經(jīng)過幾十年的水稻育種攻關(guān)，包括遺傳性、生物信息學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展，分子設(shè)計育種已成為解決糧食安全的重要手段之一。

圖1 水稻育種發(fā)展歷程[6]

1 水稻育種方式的更替

中國現(xiàn)代水稻育種起步于20 世紀(jì)20 年代，已有百年歷程[7]。百年來，育種技術(shù)不斷得到創(chuàng)新和發(fā)展，水稻新品種對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率超過了60%，推動了中國水稻生產(chǎn)躍上了世界先進(jìn)水平[8]。水稻育種主要有兩種方式，即常規(guī)育種（又稱經(jīng)驗育種）和分子育種。具體來看，常規(guī)育種又包括了純系育種、雜交育種、誘變育種、細(xì)胞工程育種等，分子育種包括分子標(biāo)記育種、轉(zhuǎn)基因育種和分子設(shè)計育種[9]。其中分子育種正成為目前水稻育種的重要手段之一，在解決糧食產(chǎn)量、提高水稻品質(zhì)、抗性等方面具有突出的不可替代的作用。

分子育種是實現(xiàn)直接選擇基因而獲得表型的一種高效輔助育種技術(shù)。分子育種相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗育種，實現(xiàn)了表型定向、精準(zhǔn)和高效改良，縮短了選育時間。目前，水稻功能基因組學(xué)研究取得了巨大進(jìn)展，有超過3 600 個水稻基因的克隆和鑒定，以及大量影響性狀的基因的定位[10-11]，大量水稻功能基因的發(fā)掘有力促進(jìn)了分子育種進(jìn)程。過去幾十年中，分子標(biāo)記育種是應(yīng)用得最多也是最廣泛的，而分子設(shè)計育種在最近幾年正在成為主流分子育種手段，從最近30年世界或中國關(guān)于分子設(shè)計育種發(fā)文量變化也可以有力證明（見圖2）。

圖2 全球不同作物育種階段論文發(fā)表數(shù)量變化趨勢[12]

2 分子設(shè)計育種研究現(xiàn)狀

分子設(shè)計育種是基于遺傳圖譜和高分辨率的染色體基因型鑒定技術(shù)與品種改良相合的一項新技術(shù)[13]。分子設(shè)計育種概念是耦合和優(yōu)化優(yōu)異等位變異基因的分子模塊，最大化地發(fā)揮分子模塊群對復(fù)雜性狀的非線性疊加效應(yīng)，有效實現(xiàn)復(fù)雜性狀的精準(zhǔn)改良。有學(xué)者對常規(guī)育種、回交育種、分子回交育種和分子設(shè)計育種進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，分子設(shè)計育種在供體親本上有更廣的選擇、目標(biāo)性狀可選數(shù)量性狀或者多個性狀組合、采用高效的分子標(biāo)記等諸多優(yōu)勢[14]。有效開展分子設(shè)計育種的前提是基于對擬設(shè)計改良的目標(biāo)性狀對應(yīng)的基因功能和變異的認(rèn)識，基于科學(xué)分析形成預(yù)期的分子模塊導(dǎo)入。多學(xué)科配合實現(xiàn)基因模塊有效的合并組裝，培育符合育種目標(biāo)的新品種[6]。一般認(rèn)為分子設(shè)計育種是彌補分子標(biāo)記育種和轉(zhuǎn)基因育種只能對單個、少數(shù)質(zhì)量性狀或者主效數(shù)量性狀進(jìn)行選擇的缺陷，可以實現(xiàn)對某一個數(shù)量性狀或者多個農(nóng)藝性狀聚合的高效育種手段。

近年來，水稻分子設(shè)計育種逐漸應(yīng)用到育種實踐中。研究人員解析了大米品質(zhì)是由控制淀粉合成相關(guān)基因組成的，基因間對稻米品質(zhì)指標(biāo)效應(yīng)有差異[15]。通過設(shè)立明確的育種目標(biāo)，合理的設(shè)計以特青作為受體親本，以日本晴和93-11為供體親本，對水稻產(chǎn)量、稻米外觀品質(zhì)、ECQ 等的基因聚合，利用雜交、回交與分子標(biāo)記選擇等技術(shù)聚合多基因，在短時間內(nèi)培育出了優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻新品種[16]。截至目前，通過分子模塊設(shè)計育種，已培育了30 多個設(shè)計型水稻新品種，其中4 個已通過國家審定。同時報道了抗稻瘟病模塊Pizt、Pi35、Pb1、Pi21及香味模塊Badh2耦合育成的“中科902”已經(jīng)通過黑龍江省水稻品種審定；耦合ipa1-2D和PiZ、Pi5等的分子模塊，成功選育了高產(chǎn)、抗稻瘟病的“嘉優(yōu)中科”多個雜交稻新組合，順利通過省級水稻品種審定[17]?！凹蝺?yōu)中科”系列雜交水稻品種有效地解決了水稻生產(chǎn)中優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和抗病品種較少的難題。這些成果標(biāo)志著分子設(shè)計育種已經(jīng)從概念變?yōu)榱爽F(xiàn)實，并將很快應(yīng)用到更多的水稻育種實踐中。

3 水稻基因組研究現(xiàn)狀

分子生物技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病能力的不斷提高，特別是隨著高效和精確的分子育種的出現(xiàn)[3,18]。水稻關(guān)鍵功能基因的克隆與育種利用，如sd1、Gn1a、IPA1、DEP1、Pid2、Pigm、Xa21、Xa23、Wx、ALK等，進(jìn)一步有效保障了糧食安全。雖然，這些關(guān)鍵基因在水稻產(chǎn)量、抗病性和稻米品質(zhì)提升上取得較大的突破，但實際生產(chǎn)中也存在抗性減弱、稻米品質(zhì)改良不夠徹底等問題。為了精準(zhǔn)解決水稻實際生產(chǎn)問題，需要進(jìn)一步挖掘相關(guān)功能基因和建立全基因組分子設(shè)計，這可能是目前最有希望解決問題的方法之一。同時，亞洲水稻是第一個有高精度的完整基因組測序的單子葉植物，因此其作為單子葉植物功能基因組研究的模式物種[19-20]。目前，水稻獲得大量的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)，開展了泛基因組的研究工作，這些工作對更好地理解重要農(nóng)藝性狀的遺傳效應(yīng)至關(guān)重要，這將加快水稻分子設(shè)計育種的可靠性和效率。

3.1 水稻基因組

到目前為止，已經(jīng)有多個水稻品種完成了高質(zhì)量的基因組組裝[21]。2014 年研究人員獲得了一個高質(zhì)量的非洲稻基因組組裝和注釋的基因序列，最后通過分析獲得了非洲稻詳細(xì)的馴化歷史和選擇特性[22]。2016年，組裝了237 個contigs（ZS97）和181 個contigs（MH63）基因組序列，準(zhǔn)確率＞99.99%，分別占估計基因組大小的90.6%和93.2%[23]。2017 年，通過整合單分子測序和定位數(shù)據(jù)、遺傳圖譜和fosmid序列標(biāo)簽，整合了秈稻基因組R498 的從頭組裝，獲得390.3 Mb覆蓋了R498基因組的99%以上[24]。2018年，對9個新的水稻種進(jìn)行基因組組裝和分析，與早前報道的4 個基因組進(jìn)行了比較進(jìn)化基因組學(xué)分析[25]。2021 年，“天優(yōu)華占”的兩個親本“天豐”和“華占”分別利用PacBio 和Nanopore 測序并輔助Hi-C 分別組裝，構(gòu)建的重組自交系群體進(jìn)行了遺傳圖譜驗證，最終獲得399.09 Mb 和395.89 Mb的高質(zhì)量基因組[26]。2021 年，利用第三代測序技術(shù)構(gòu)建了31 個高質(zhì)量的水稻基因組，結(jié)合前期另外兩個基因組，進(jìn)行基因組比較分析，鑒定到大量尚未發(fā)現(xiàn)的SVs 和gCNVs[27]。目前報道的基因組序列存在碎片化或不完整的序列，存在大量的Gaps，這些均會在一定程度上影響基因組的研究。R498 基因組序列僅包含5 個gaps（在5 條染色體的著絲粒周圍區(qū)域），contigs N50為25.58 Mb，證明了利用SMRT 測序組裝能夠?qū)崿F(xiàn)接近完整的植物基因組[24]。水稻高質(zhì)量基因組的獲得，對分子設(shè)計育種高質(zhì)量發(fā)展起到了決定性的作用。

3.2 水稻泛基因組

關(guān)鍵功能基因?qū)τ谒痉肿釉O(shè)計育種具有重要意義，但是研究發(fā)現(xiàn)個別基因在水稻群體中存在丟失的現(xiàn)象，所以挖掘這部分基因?qū)τ诜肿佑N同樣具有重要意義。研究表明單個或幾個參考基因組并不足以覆蓋一個群體中廣泛的遺傳多樣性[28]。整合多個水稻基因組序列，構(gòu)建一個代表群體而不是特定個體的完整遺傳信息的泛基因組，將為開發(fā)水稻改良的遺傳資源提供新的基礎(chǔ)[29]。泛基因組已被用于深入分析種群中大量的遺傳變異，提供有關(guān)種群結(jié)構(gòu)、物種起源和馴化、功能基因和育種的信息[30]。

泛基因組分析已經(jīng)確定了許多在參考基因組中不存在的序列和基因及全部基因組中可有可無的基因。利用泛基因組分析揭示了栽培稻和野生稻中基因組的變異，發(fā)現(xiàn)了10 872 個至少部分缺失的新基因和16 208個可有可缺的基因[29]；利用1 483份材料的低覆蓋率短讀測序數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了8 000多個在Nip中缺失的編碼基因[31]。3 000份亞洲栽培稻基因組研究，發(fā)現(xiàn)了268 Mb 的新序列、12 465 個全長新基因和19 721 個可有可缺的基因[32]。泛基因組分析有助于全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）等技術(shù)對水稻相關(guān)性狀進(jìn)行基因定位，并為水稻的進(jìn)化和馴化提供了新的思路。為了實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)變異和基因簇等復(fù)雜基因區(qū)域的全面覆蓋，有必要使用高質(zhì)量的基因組組裝來構(gòu)建水稻泛基因組。為了構(gòu)建完整的水稻基因組，需要從該物種的種群基因組研究，選擇更多的基因組進(jìn)行分析。隨著水稻泛基因組報道，對于未來開展以關(guān)鍵基因為核心的分子設(shè)計育種提供更多的基因資源。

4 展望

近20 年以來，水稻產(chǎn)量進(jìn)入一個相對緩慢增長的時間段。目前對水稻品種的要求不單在產(chǎn)量上，而是對稻米品質(zhì)、抗性、生育期等提出了具體要求，這就涉及了產(chǎn)量與這些性狀之間相互協(xié)調(diào)的問題。尤其在目前的高產(chǎn)栽培條件下，個體與群體的矛盾及產(chǎn)量與生育期的矛盾就更加突出[33]。眾所周知，常規(guī)育種方法的育種效率較低，存在很大的盲目性和不可預(yù)測性，很大程度上依賴于育種經(jīng)驗和機遇[34]。提高和利用植物本身的遺傳潛力是未來作物遺傳改良的首要措施[35]。品種分子設(shè)計是突破傳統(tǒng)育種瓶頸的唯一有效途徑。

近年來，水稻基因組學(xué)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，但如何將這些研究成果(豐富的基因組變異及功能基因克隆等)有效應(yīng)用到復(fù)雜農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)改良仍是設(shè)計育種面臨的重大挑戰(zhàn)和科學(xué)難題[36]。水稻基因組遺傳多樣性對設(shè)計育種的巨大潛在價值，可以實現(xiàn)精準(zhǔn)遺傳變異信息下的復(fù)雜性狀高效改良。未來分子設(shè)計育種在水稻育種中必將扮演著不可替代的作用，主要從以下幾個方面加強研究，比如生物信息學(xué)與功能基因組學(xué)的整合、水稻轉(zhuǎn)基因體系及分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的成熟、全基因組背景選擇應(yīng)用等。