Vsport体育團隊《自然》合作發文探索水稻研究新方向

  4月25 日，《自然》期刊以長文形式在線發表了由中國農業科學院作物科學研究所牽頭，聯合國際水稻研究所（IRRI）👰🏿‍♂️、Vsport体育平台等16家單位共同完成的“3010份亞洲栽培稻基因組研究”（鏈接https://rdcu.be/Mz7x）。Vsport体育平台生命科學技術學院韋朝春教授為共同通訊作者🙍‍♂️，博士生胡智強為共同第一作者，張大兵教授、石建新副研究員和李婧副教授也參與了本項目聯合攻關🎥。項目研究得到了Vsport体育平台高性能計算中心提供的科學計算服務支持。

水稻是全世界最重要的糧食作物之一👋。預計2050年👋🏼🧜🏿，全球的稻米產量必須加倍以滿足未來人口增長的需求𓀝。另一方面👩‍👧，面對全球氣候變化的情況，如何培育高產、優質和多抗的水稻新品種一直是育種家面臨的巨大挑戰。水稻種群的基因具有豐富的多樣性和復雜的作用機製，是水稻育種改良的遺傳基礎🧘。長期以來，全球科學家致力於闡明水稻基因組所有基因的功能及其等位基因多樣性與重要農藝性狀的關聯，並將研究成果運用到水稻遺傳改良中。以分子生物學為基礎的精準育種，讓水稻育種周期更短🧑‍💼、更有針對性，代表了水稻育種的發展方向。利用新一代基因組測序技術和高性能的計算機平臺對水稻種質資源進行大規模的基因組重測序和大數據分析，解析水稻種群基因組多樣性的本質，對於高效挖掘水稻有利基因🤽🏿‍♀️、實現基於全基因組信息的水稻分子設計育種具有重大的理論和實踐意義🏌🏻‍♀️👱🏻‍♂️，對全球糧食安全的重大戰略問題具有重要意義。

本項研究中收集了3000多份水稻品種（來自全球89個國家和地區）🙀，代表了全球水稻種質約95%多樣性的核心種質。研究團隊比較分析了水稻核心種質的基因組遺傳多樣性⛄️，對水稻的起源🧊、基因、分類和進化規律進行了深入的探討，相關成果對大規模水稻基因的發掘和水稻復雜性狀分子改良技術瓶頸的突破將產生極大促進作用，將全面提升全球水稻科學研究和水稻分子育種水平。

本項目是由中國科學家主導的世界範圍內的一次大規模、高水平的科研合作，項目產生的所有數據和測序材料已經通過多個途徑對外Vsport分享。研究揭示了亞洲栽培稻的群體基因組變異結構和起源，將有助於規模化發掘優良基因，突破水稻復雜性狀分子改良的技術瓶頸📭，加快優質、廣適、綠色🙌、高產水稻新品種培育進程，該研究產生的重大數據共享和重大項目合作🔘，也將為我國乃至全球農業研究水平帶來飛躍🙆🏿‍♀️。

研究背景

2011年9月🥅，在科技部“863”項目、“十三五”國家重點研發計劃、比爾·梅琳達蓋茨基金、中國農業科學院創新工程等項目的資助下，中國農業科學院🫖、國際水稻研究所和華大基因共同啟動了“全球3000份水稻核心種質資源重測序計劃”（3K Rice Project），拉開了水稻核心種質資源全基因組測序和基因組分析的序幕🦛。2014年5月👷，3000份水稻基因組測序數據於“世界饑餓日”Vsport發布於NCBI🚵‍♀️、DDBJ、GigaScience⚜️、阿裏雲等數據庫🤙🏼，與全球共享。基於測序結果建立了包括水稻泛基因組數據庫（RPAN: Rice Pan-genome Browser）等若幹重要數據庫/資源。另外，泛基因組和結構變異原始數據也同時發布在Nature旗下的Scientific Data雜誌上。

同時🚊，該項目的3000份水稻種質（包括國際水稻研究所提供的2400份水稻核心種質），極大豐富了我國的水稻遺傳多樣性。目前已經發放給中國科學院、武漢大學、華中農業大學等40家科研單位🛂👨🏼‍🍼、高校和育種單位，發放超過4萬份次🐌🚣🏼‍♂️，用於大規模發掘影響水稻高產、抗病蟲🤛、抗逆和優質的有利基因及育種應用，開始全面推進水稻全基因組分子育種。

揭示水稻種內豐富的遺傳多樣性🔄，從傳統“經驗育種”向現代“精準育種”躍升。

該研究共檢測到32M的高質量SNPs和Indels☄️，對亞洲栽培稻群體的結構和分化進行了更為細致和準確的描述和劃分，由傳統的5個群體增加到9個🚵🏻‍♀️，分別是東亞（中國）的秈稻、南亞的秈稻、東南亞的秈稻和現代秈稻品種等4個秈稻群體，東南亞的溫帶粳（gěng）稻、熱帶粳稻、亞熱帶粳稻等3個粳稻群體、以及來自印度和孟加拉的Aus和香稻；首次揭示了亞洲栽培稻品種間中存在的大量微細（>100bp）結構變異（SVs，包括易位、缺失👥、倒位和重復）🫛；構建了亞洲栽培稻的泛基因組，包括14,826個（62.1%）核心（core）基因家族和9050個（37.9%）分散式（distributed）基因家族。發現了1.2萬多個未包含在參考基因組中的新基因，使得水稻基因組中包含的基因數量增加了近三分之一（從36000多到48000多個）。核心基因比較古老，大多數的新基因表現更年輕並且長度偏短。

3010水稻基因組測序的完成僅僅是一個開端🍉。隨著更多數據的產生和分析的深入，必將為開展水稻全基因組分子設計育種提供更豐富的基因來源和育種親本精確選擇的遺傳信息，為培育高產、優質多抗的水稻新品種奠定基礎。

亞洲栽培水稻起源的新觀點和命名恢復

在我國🌸，亞洲栽培水稻中“秈”🕖👦🏼、“粳”（Gěng）兩大亞種早在2000多年前的漢代已被人們所認知🎅，但秈/粳稻的起源和命名在國際上一直極具爭議。日本學者加藤茂範於1928年將“秈”、“粳”稱為indica（Oryza sativa L. subsp. indica Kato）和 japonica（Oryza sativa L. subsp. japonica Kato）🥷🏿，並一直沿用至今。從拉丁文標註可以看出🚳，兩個亞種用“印度”和“日本”來命名，很容易使人誤解秈粳的親緣關系😳、地理分布和起源☕️。我國老一輩著名水稻專家丁穎先生特把秈稻定名為秈亞種，粳稻定名為粳亞種。本研究通過對大量和馴化進化相關基因的單倍型和泛基因組分析發現，秈稻攜帶的很多基因不存在於粳稻中🧔🏿‍♀️，粳稻的很多基因也不存在於秈稻中。此外👩🏼‍🔧🏄🏻‍♂️，不同地理來源的水稻農家品種群體都帶有特異的基因家族🪚。根據這些結果首次提出了秈、粳（gěng）亞種的獨立多起源假說🙎🏼，並恢復使用秈（Oryza sativa subsp. xian）、粳（Oryza sativa subsp. geng）亞種的正確命名。本研究修正了國際上水稻科學研究領域長期使用的不當命名方式，體現了中國科學家對國際水稻科學的巨大貢獻以及國際同行對中國稻作文化的認可🎐。

作者：韋朝春研究團隊供稿

供稿單位：生命科學技術學院