水稻作為重要的糧食作物，是我國60％以上人口的主糧。在糧食危機(jī)和人們生活水平日益增長的雙重壓力下，培育“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)”型超級水稻新品種是育種學(xué)家和稻米種業(yè)長期奮斗目標(biāo)，但是傳統(tǒng)育種進(jìn)展緩慢。“一粒種子可以改變世界”，然而如何才能實(shí)現(xiàn)“多快好省”地培育出一粒好種子？
日前，中國科學(xué)家利用品種設(shè)計(jì)的思路，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻的高效培育。該項(xiàng)研究給予了品種設(shè)計(jì)育種研究領(lǐng)域新的啟迪，將極大推動(dòng)作物傳統(tǒng)育種向高效、精準(zhǔn)、定向的分子設(shè)計(jì)育種轉(zhuǎn)變。研究成果于2017年3月20日在線發(fā)表在Nature Plants雜志，中國農(nóng)科院水稻所曾大力研究員和中科院遺傳發(fā)育所田志喜研究員為共同第一作者，中國農(nóng)科院水稻所、深圳農(nóng)業(yè)基因組所錢前研究員和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋研究員為共同通訊作者。
隨著功能基因組的發(fā)展，育種學(xué)家提出“品種設(shè)計(jì)育種”，夢想能將重要農(nóng)藝性狀關(guān)鍵基因的優(yōu)異等位形式高效聚合，形成超級新品種。然而，品種設(shè)計(jì)育種實(shí)施中最優(yōu)化育種策略的設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)，尤其對于高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)復(fù)雜性狀綜合改良，迄今還沒有實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的報(bào)道。
品種設(shè)計(jì)育種的前提是對目標(biāo)性狀調(diào)控機(jī)理的系統(tǒng)解析。李家洋研究組與錢前研究組長期合作，致力于水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的分子調(diào)控機(jī)理的研究。通過近二十年的努力，克隆了包括理想株型調(diào)控基因（IPA1）在內(nèi)的一批重要的高產(chǎn)調(diào)控基因，并揭示水稻蒸煮品質(zhì)主要受淀粉合成相關(guān)基因組成的遺傳網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。
在此基礎(chǔ)上，李家洋研究組與錢前研究組精心設(shè)計(jì)，以超高產(chǎn)但綜合品質(zhì)差的品種“特青”作為受體，以蒸煮和外觀品質(zhì)具有良好特性的品種“日本晴”和“93-11”為供體，對涉及水稻產(chǎn)量、稻米外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和生態(tài)適應(yīng)性的28個(gè)目標(biāo)基因進(jìn)行優(yōu)化組合。經(jīng)過8年多的努力，利用雜交、回交與分子標(biāo)記定向選擇等技術(shù)，成功將優(yōu)質(zhì)目標(biāo)基因的優(yōu)異等位聚合到受體材料，并充分保留了“特青”的高產(chǎn)特性。這些優(yōu)異的“品種設(shè)計(jì)”材料，在高產(chǎn)的基礎(chǔ)上，稻米外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)、口感和風(fēng)味等方面均有顯著改良，并且以其配組的雜交稻稻米品質(zhì)也顯著提高。成功地實(shí)現(xiàn)了"秈稻的產(chǎn)量，粳稻的品質(zhì)"的理想目標(biāo)。
