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    中國科學院分子植物科學卓越創新中心受邀為 Cell 雜志撰寫作物從頭馴化評論文章

    放大字體  縮小字體 發布日期:2021-04-09  來源:生物360  瀏覽次數:45
    核心提示:隨著基因組編輯技術的飛速發展,野生植物的從頭馴化正在成為創制新作物的重要策略。利用這種方式,近幾年來,國內外多個團隊開展
     隨著基因組編輯技術的飛速發展,野生植物的從頭馴化正在成為創制新作物的重要策略。利用這種方式,近幾年來,國內外多個團隊開展了對野生番茄、燈籠果等野生植物的從頭馴化研究(Lemmon et al., 2018; Zs?g?n et al 2018; Li et al., 2018)。近日,中科院遺傳發育研究所李家洋院士團隊聯合國內多個合作團隊,利用基因組編輯技術在四倍體野生稻的從頭馴化研究中取得重大進展 (Yu et al., 2021)。應 Cell 雜志邀請,中科院分子植物科學卓越創新中心朱新廣研究員和朱健康研究員針對作物從頭馴化的由來、現狀及巨大應用前景于 3 月 4 日發表了評論文章 “Precision genome editing heralds rapid de novo domestication for new crops”(Zhu 和 Zhu 2021)。

    野生植物的馴化對人類文明的發展至關重要。在野生植物馴化過程中,產量、質量、栽培方式相關的性狀受到選擇;然而,這種傳統馴化過程通常需要上百年甚至上千年的時間。盡管這種傳統的作物馴化方式依然是創造新作物的重要途徑,現代基因組編輯技術尤其是 CRISPR-CAS9 技術為野生植物的快速從頭馴化提供了可能。在李家洋院士團隊及合作團隊的這項研究中,其馴化目標是多倍體野生稻高稈野生稻(Oryza alta)。該研究攻克了野生稻從頭馴化所需的復雜多倍體基因組測序、高效遺傳轉化體系及基因組編輯等技術,成功改造了該野生稻的株型、粒型、開花期等特征,表明利用基因組編輯方法,將野生稻改造為一個成功的水稻品種,從理論及技術上是完全可行的,為未來保障糧食安全提供了一條全新方案。

    與傳統作物馴化相比,野生植物的從頭馴化代表著一條全新的利用植物界大量遺傳及表型變異的新策略。利用野生植物的從頭馴化,人類可以以特異植物資源為起始材料,利用基因組編輯技術將與馴化改良相關的性狀快速整合,有效避免了傳統馴化所需的漫長的雜交、篩選過程,將馴化的時間從上百年甚至上千年縮短到 10 年左右,從而極大拓展了人類利用植物界豐富的遺傳變異的能力(圖一)。利用這種策略,人類不僅可以創造新型糧食、油料、纖維等作物,還可以用于創造全新類型的作物,從而為人類當前面臨的糧食、能源、環境危機提供全新方案。比如,為降低或者消除全球的溫室效應,可以創制具有高生物量生產能力的能源植物或者具有超強的地下碳儲能力的碳匯作物;為解決土地資源缺乏、極端生境下作物生產問題,可以創制適于垂直農業種植的新型果蔬等。

    要有效利用野生植物的從頭馴化這條策略,需要一系列生物技術方面的創新。可喜的是,在這些領域當前都有很多進展,這包括更加精準高效的基因組編輯及堿基編輯器(Chen et al., 2019; Lu et al., 2020)、可以繞過愈傷組織誘導的遺傳轉化技術(Maher et al., 2020)、短周期植物快速培養方法等(Watson et al., 2018)。可以預見,隨著這些技術的進一步成熟及優化,以及人類對自然界絢麗多彩的植物功效認識的增強,大量從頭馴化的具有特異功效的全新作物將被創制出來,并在滿足人類社會日益提高的各類需求中起越來越大的作用。

    論文鏈接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00154-9

    文獻:

    1. Lemmon, Z.H., Reem, N.T., Dalrymple, J., Soyk, S., Swartwood, K.E., Rodriguez-Leal, D., Van Eck, J., and Lippman, Z.B. (2018). Rapid improvement of domestication traits in an orphan crop by genome editing. Nat Plants 4, 766-770.

    2. Zs?g?n, A., ?ermák, T., Naves, E.R., Notini, M.M., Edel, K.H., Weinl, S., Freschi, L., Voytas, D.F., Kudla, J., and Peres, L.E.P. (2018). De novo domestication of wild tomato using genome editing. Nat Biotechnol 36, 1211-1216

    3. Li, T., Yang, X., Yu, Y., Si, X., Zhai, X., Zhang, H., Dong, W., Gao, C., and Xu, C. (2018). Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat Biotechnol 36, 1160-1163.

    4. Yu, H., Lin, T., Meng, X., Du, H., Zhang, J., Kou, L., Liu, G., Chen, M., Jing, Y., Li, X., et al. (2021). Route for de novo domestication of wild allotetraploid rice. Cell (In press).

    5. Chen, K., Wang, Y., Zhang, R., Zhang, H., and Gao, C. (2019b). CRISPR/Cas genome rditing and precision plant breeding in agriculture. Ann Rev Plant Biol 70, 667-697.

    6. Lu, Y., Tian, Y., Shen, R., Yao, Q., Wang, M., Chen, M., Dong, J., Zhang, T., Li, F., Lei, M., et al. (2020). Targeted, efficient sequence insertion and replacement in rice. Nat Biotechnol 38, 1402-1407.

    7. Watson, A., Ghosh, S., Williams, M.J., Cuddy, W.S., Simmonds, J., Rey, M.D., Asyraf Md Hatta, M., Hinchliffe, A., Steed, A., Reynolds, D., et al. (2018). Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nat Plants 4, 23-29.

    8. Maher, M.F., Nasti, R.A., Vollbrecht, M., Starker, C.G., Clark, M.D., and Voytas, D.F. (2020). Plant gene editing through de novo induction of meristems. Nat Biotechnol 38, 84-89.

    9. Zhu XG and Zhu JK (2021). Precision genome editing heralds rapid de novo domestication for new crops. Cell (In press).

    圖一、人類利用植物遺傳變異的兩條主要途徑。

    在傳統的作物馴化過程中,具備作物馴化及改良必需特征的野生植物(低落粒性、合適開花期等)被 “篩選” 出來作為起始植物材料,而其他特殊性狀(高產、高質量、抗旱、抗鹽等)則通過育種方法或者基因組編輯方法整合進來。在野生植物的從頭馴化過程中,具有特殊性狀的野生植物被選作起始植物材料,將作物馴化及改良相關的性狀利用基因組編輯方法整合進來(圖引自 Zhu 和 Zhu,2021)。

     
     
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