作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2020/3/8 17:51:55
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“从头驯化”:创造人类所需个性化“新”食物

 

你可曾想过,现在赖以生存的粮食是否完美?是否满足了你对健康营养的需求?

华中农业大学植物科学技术学院/作物遗传改良国家重点实验室教授严建兵的答案是否定的。

“过去,我们的粮食生产目标大多追求高产高效,但随着人们对食物的需求越发多样化和个性化,传统的农业生产方式也带来了诸多的挑战,未来粮食的生产目标应是基于人们个性化的需求来供给食物。”严建兵希望,在保障粮食安全的基础上,改良或“设计”出一些新作物,以更符合未来人们对食物的个性化需求。

重新“组装” 驯化新作物

如何产出完美、个性化的食物?严建兵提出了“再驯化”处于半驯化状态的作物,以及“从头驯化”产生新作物的解决方案。

已有研究表明,人类现在食用的大多数农作物和蔬菜,都是先人们在过去12000年里从野生植物的祖先那里驯化而来的。在现存的40多万种植物中,仅约不到100种被驯化成今天可栽培的作物。而人类从粮食中获得能量的70%仅来自于15种作物,其中玉米、水稻和小麦三大作物占比50%。

“我们可以从众多的野生和半野生植物中,重新驯化一些新的更符合人类未来需求的新作物,同时为解决世界日益严峻的粮食问题提供新的解决方案。”严建兵说。

在过去一万多年里,作物驯化和改良的历史经历了农民与育种家基于优势性状的“定向”选择,以作物矮杆技术突破与农药化肥、农业机械使用为代表的第一次绿色革命,以及以转基因、分子育种等生物技术为基础的第二次绿色革命。

当前,基因编辑技术和大数据技术的突破,正在叩开人类“设计育种”的大门,农业领域的“第三次绿色革命”正在形成。

严建兵解释,未来的农业生产面临着诸多挑战,比如农业化肥滥用带来环境污染和农业发展的不可持续;水资源需求量大;农业生产将面临更为极端的气候变化,包括干旱、高温、寒冷以及盐碱地;大多数作物缺乏人类所必需的微量营养素;作物生产效率低,“靠天吃饭”的本质并未改变等。

从根本上改变粮食生产模式,从需求端考虑作物设计,采取条件可控的工业化生产模式,或有助于解决这些难题与挑战。

在他看来,基因编辑与大数据挖掘结合让精准设计育种成为可能,利用大量已知的模式植物和主要作物在驯化和改良过程积累的大量知识可以指导新作物的重新驯化,“就像搭积木一样,想要什么样子就可以组装成什么样子,比如给糖尿病人提供糖类转化率低的粮食等。”

事实上,作物驯化的过程非常缓慢,人工选择花费了几千年上万年的时间才获得了我们今天的作物,而基于知识驱动的“从头驯化”理论仅需要数年的时间。

“‘再驯化’的优势在于可以直接利用已经适应种植环境的处于半驯化的物种。‘从头驯化’可通过传统人为选择和基因组编辑等技术来实现。”严建兵表示。

不过,这也意味着,找到适合“编辑”的野生或半野生植物是最关键的一步。同时,对影响作物优势性状(产量高、营养价值高、高效固氮、水利用率高等)的关键功能基因的挖掘和解析,也被认为是实现作物“再驯化”和“从头驯化”的重要课题。

搭建鉴定玉米功能基因的“生产线”

如何将设想变为现实?除了候选物种的确定,严建兵提出了实现“从头驯化”新作物的关键步骤:驯化关键基因的鉴定,利用基因编辑等技术快速实现野生植物到驯化作物的转变;目标有益性状调控网络的确定,利用基因编辑等技术实现目标性状基因网络的精准调控;提供拥有不同有益性状的个性化作物,满足不同人群多样化的需求。

作为有着数十年玉米遗传育种、基因解析等研究历史的团队,严建兵等科学家们从实现玉米的复杂数量性状遗传解析开始。

联合国粮食及农业组织数据显示,玉米的播种面积、单位产量及总产量均已经超过水稻和小麦,因此,玉米产量的遗传改良对保障世界及中国的粮食安全至关重要。

作物驯化改良的历史告诉我们,从野生植物到栽培作物,尽管其容貌大改,但实际却仅改变了少数几个关键基因,玉米从野生杂草到被人类驯化成栽培作物只需要5-6个关键基因改变,而数千年来产量等农艺和品质性状的持续改良,也只有差不多1200个基因受到改良,占基因组总量的3%左右。

“挖掘控制重要性状的基因是作物遗传改良的前提和理论基础。”华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室教授张祖新告诉《中国科学报》,自2009年以来,玉米基因组测序完成并不断完善。他们团队近期证实了一个编码丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的基因KNR6 ,该基因通过影响雌穗小花数目、穗长和行粒数进而控制玉米产量。

“不过,玉米基因组庞大复杂、可稳定转化的品系有限、靶向性及特异性不高、转化效率较低等问题,也是制约玉米产量功能基因研究的重要问题。”张祖新说。

若是掌握了玉米基因组大数据,那么,重新驯化一个新作物的历程将大大加速,而不会像先人那样经历1万余年。

工欲善其事,必先利其器。玉米专家们手中的“利器”便是CRISPR/Cas9基因编辑技术和大数据技术。

近年来,CRISPR/Cas9系统由于靶向性及特异性非常高、操作简单快捷等优势已被广泛用于各种物种的基因编辑,并已在水稻和大豆中实现了大规模的突变体资源的创制。

“但这些大规模基因编辑的研究主要将CRISPR/Cas9作为传统突变手段的替代品,如何针对植物特性完善从靶标设计到突变序列检测全流程的高通量体系,如何降低成本挖掘这一新兴技术应用后对基因组影响的规律等,尚缺乏深入研究。”严建兵说。

因此,他提出了综合传统遗传定位和高通量靶向基因编辑加速玉米功能基因挖掘的思路。

这一思路相当于为鉴定玉米功能基因组研究搭建了一条高效的“生产线”,从传统的先“万里挑一”出功能基因而后对其解析的作物遗传改良方式,改变为直接对成百上千个功能基因进行解析,大大提高了鉴定效率和成功概率,也降低了成本。

“基于知识驱动和新兴技术工具,对作物首先进行很好地设计规划而非盲目选择,这使得作物基因再鉴定甚至重新定位,让作物‘从头驯化’成为可能。”严建兵说。

张祖新也表示,“传统育种”是品种改良的基础,“现代技术”可在创造新的育种材料以及提高育种效率上有所突破。两者相互依存、不能分割。“传统育种”因“现代育种技术”的介入而实现精准选择、提高育种效率;“现代育种技术”只有与“传统育种”有机结合、合理地应用到育种的各个环节,才能体现出新技术的价值和优越性。

创新设计遗传群体

要想实现设想,除了得力的“利器”和高效“生产线”,找到一个合适的“生产对象”(育种材料)也十分重要。

历经15年,严建兵团队与合作者创新地设计了一种遗传群体“CUBIC”群体(多亲本高世代自交群体)。该群体来自于我国四个杂种优势群的24个玉米骨干自交系,研究人员通过两轮双列杂交实现了所有亲本基因交流,大大缩短了群体发展周期,接着采用6代开放授粉和6代连续自交,最终得到1404个自交家系作为优异的育种材料,可用于后续研究。

严建兵表示,CUBIC群体融合了育种家的经验和基础研究学者的遗传设计,其在设计之初就将遗传育种作为重要目标。

相较于传统遗传群体,CUBIC设计具有遗传多样性高、群体结构不明显、重组事件更加充分、与育种目标更加密切等诸多优势,这些特点保证了该群体有更高的定位功效,并预期产生可直接应用育种实践的成果。

近日,研究人员利用CUBIC群体鉴定了600多个关键性状位点及其它重要候选基因,进行了1000多个候选基因的大规模实验。研究人员认为,通过调查关键性状基因位点区间所有基因突变体的表型,就可以鉴定到功能基因,省去了繁杂的精细定位过程。

“通俗来说,我们已经把一个‘水库’的基因量缩减到了一个‘池塘’的量。那么,下一步就是从‘池塘’中找到关键基因,而这将会是更具挑战性。”严建兵说。

不过,严建兵相信,“众人拾柴火焰高”。他此前发展的多样化玉米关联群体,已经免费给国内外同行使用,累计给50多家单位共分发15000份种子,极大促进了我国玉米的基础研究进展。他们也将CUBIC群体共享开放,希望以“资源共享,众筹研究”的方式推动玉米的定制化遗传改良,并以此促进个性化作物“从头驯化”研究的梦想。

相关论文信息:

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-1930-x

http://www.plantcell.org/content/early/2020/02/25/tpc.19.00934

https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.03.016

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14746-7

不同品种的玉米

严建兵正在与学生讨论

严建兵在玉米田中考察(图片来源:受访者提供) 

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