水稻分子模塊設計研究成果與展望

薛勇彪 韓 斌 種 康 王 臺 何祖華 傅向東 儲成才 程祝寬 徐云遠 李 明

1 中國科學院遺傳與發育生物學研究所 北京 100101

2 中國科學院植物研究所 北京 100093

3 中國科學院上海生命科學研究院 植物生理生態研究所 上海 200032

中國古代綜合性的科學技術著作《天工開物》（1637 年）中所述的“天下育民人者，稻居什七”，說明千百年來，稻米一直是中國人的主糧。禾谷類作物栽培在我國已有 8 000 多年歷史[1]，相關的育種知識和技術在全球產生了重要影響。

早期的農業實踐主要通過馴化選育農家品種，20 世紀以來，科學知識快速積累，學科發展推動了育種理論與技術創新：20 世紀初期的孟德爾遺傳學推動了遺傳育種（雜交育種）技術和理論發展；20 世紀 50 年代基于 DNA 雙螺旋結構確立的分子生物學奠定了分子育種（包括后期的轉基因技術）的基礎；20 世紀 90 年代基因組學的發展使設計育種成為可能。

我國是世界上較早啟動植物基因組學研究的國家之一。1998 年作為主要發起國之一，我國參與了“國際水稻基因組測序計劃”；1999 年以來，在科技部資助的“水稻功能基因組”研究項目中，我國科學家在遺傳材料技術方法、技術路線及簡單性狀遺傳解析研究方面取得了重要的進展；2004 年完成了粳稻“日本晴”第 4 號染色體精準測序，并開展了一系列比較基因組研究；2000 年啟動了“超級雜交稻基因組計劃”，2002 年首次完成了超級雜交稻親本秈稻品種“93-11”的全基因組草圖，2005 年完成了其精準測序，這些研究開創了以水稻為模式作物解析復雜性狀調控網絡的新領域。

在后基因組時代，如何充分利用基因組信息，結合系統生物學和合成生物學知識，篩選、模擬和優化生物育種元件，提出最佳的符合育種目標的基因型以及實現目標基因型的構建，以提高育種的預見性和育種效率，實現定向、高效的“精確育種”即設計育種，是生物育種面臨的重要挑戰。現有的研究顯示高產、穩產、優質、高效等復雜性狀受多基因調控，復雜性狀的基因調控網絡具有“模塊化”特性，基于此，中國科學院農業領域的科學家提出了“分子模塊”概念和“分子模塊設計育種創新體系”理論。“分子模塊”是指控制復雜性狀的主效基因或多基因網絡、并可進行遺傳操作的功能單元。“分子模塊設計育種創新體系”包括： ① 解析分子模塊，編撰對設計育種有指導意義的分子模塊辭海；② 闡明分子模塊的耦合效應；③ 建立“全基因組導航”分子模塊設計育種技術等。

2013 年中國科學院啟動的戰略性先導科技專項（A 類）“分子模塊設計育種創新體系”以水稻為抓手，通過高產、穩產、優質、高效等復雜性狀的分子模塊解析，探索建立分子模塊設計育種技術體系，以帶動小麥、大豆、魚類等動植物復雜性狀的解析和設計育種技術的發展。經過近 5 年努力，取得了一批有重要育種價值的分子模塊和有重要國際影響力的成果，發揮了中國科學院在水稻等作物基礎研究和技術創新等領域的引領作用，將水稻等作物復雜性狀和基因組等研究推向新高度。2017 年 2 月 Nature Plants 發表的《中國的復興》專評認為，中國科學家在水稻重要農藝性狀基因解析方面取得了國際一流成果，已經引領國際水稻乃至作物生物學、遺傳學和基因組學研究[1]。

1 水稻復雜性狀的遺傳調控網絡研究取得突破性進展

1.1 分子模塊解析

針對現有品種遺傳多樣性低的問題，收集了全球主要的水稻資源材料，評價了這些材料的主要農藝性狀，獲得了一批高產、穩產、優質、高效等復雜性狀的優異分子模塊供體材料。解析了一批高產、穩產、優質、高效分子模塊，例如粒寬分子模塊 GW7 與 GW8[2,3]，粒長粒寬分子模塊 GLW7/OsSPL13[4]、耐冷分子模塊 COLD1[5]、抗病分子模塊 Pigm[6]、氮高效利用分子模塊 NITR1.1[7]。通過水稻遺傳資源材料全基因組關聯分析，挖掘了分子模塊的等位變異和優異等位變異，并在相同遺傳背景下檢測了其生物學效應，闡明了基因型-表型的對應關系，破解了水稻產量性狀雜種優勢的機制[8]，為最終編纂成對水稻設計育種具指導意義的、基于網絡開放式的、最權威的數據庫提供了基本素材。部分成果已在 Cell、Nature、Science、Nature Genetics 等期刊發表，其中水稻感受和抵御低溫機制研究（COLD1）和水稻廣譜持久抗病與產量平衡的遺傳與表觀調控機制（Pigm）分別入選 2015 年和 2017 年“中國生命科學十大進展”，雜種優勢機制研究入選 2016 年“中國科學十大進展”。

1.2 水稻高產優質協同改良的解決方案

經過近 20 年的發展，我國在產量和品質相關基因克隆以及協同改良研究方面取得了一系列突破性進展，先后克隆了多個控制水稻產量和/或品質的基因，如 GS3、Ghd7、GW8、GW7、DEP1、IPA1、LGY3[2,3,9-13]，其中的一些基因已在高產優質分子設計育種中被成功利用，例如，李家洋團隊利用理想株型基因 IPA1 提高了水稻產量，同時利用分子設計手段又兼顧稻米品質，培育了一系列高產優質新品種[12]。

研究顯示 GW8 和 GW7 在水稻產量與品質協同改良方面有巨大的應用潛力。GW8 基因編碼 OsSPL16 蛋白，是控制水稻粒寬和產量的正調控因子，將其等位基因引入優質品種中，可保證在優質的基礎上提高產量 14%，而將其引入高產品種中，可保證在不減產的基礎上顯著提升稻米品質。GW7 基因是一個控制稻米品質的基因，將 GW7 和 GS3 基因的優異等位基因聚合到高產秈稻中，可同時提升稻米的品質和產量。GW8 能夠直接結合 GW7 基因的啟動子并調控其表達。將 GW8 和 GW7 的優異等位基因聚合到高產水稻中，實現了高產與優質的同時兼顧。LGY3 編碼一個 MIKC 型 MADS-box 家族蛋白 OsMADS1，可同時控制稻米產量和品質。將其優異等位基因引入高產雜交水稻中，在顯著提升稻米品質的同時可使產量增加 7% 以上；將該等位基因與高產基因 dep1 聚合到常規稻中，不僅可顯著提升稻米品質，還可提高產量 10% 以上。這些成果不管對于水稻高產優質協同改良的理論研究還是育種應用都具有深遠影響。

1.3 水稻感受和抵御低溫的分子機制

粳稻（geng 或 japonica）和秈稻（xian 或 indica）是水稻的兩個栽培亞種。一般來講，粳稻具有耐旱耐寒的特點，秈稻則耐濕耐熱。水稻本身是起源于熱帶和亞熱帶的作物，對低溫十分敏感。在對水稻的人工馴化和選擇過程中，需要擴大種植區域，使其種植區域逐漸地向年積溫較低的地方擴展，因此提高水稻的耐寒性就成為品種北移的基本要求。

水稻耐寒性強弱是由多個基因控制的復雜性狀，在長期的人工馴化和選擇過程中，對人類有益的 QTL 被篩選保留在特定遺傳背景中。基于粳稻和秈稻在寒害適應方面的明顯差異，選用秈稻材料“93-11 ”和粳稻材料“日本晴”構建遺傳群體，定位克隆到重要的耐寒數量性狀位點基因 COLD1。借助近等基因系驗證了粳稻的 COLD1jap在水稻耐低溫脅迫中的貢獻，COLD1jap超表達株系的耐寒性顯著增強，而當該基因功能缺失突變體 cold1-1 或轉反義基因株系的耐寒性卻降低。根據不同栽培區域的 127 個水稻材料的基因組信息以及它們的耐寒性強弱，發現 COLD1 基因中存在 7 個單核苷酸多態性位點（SNP），其中第二個 SNP（SNP2）位于 COLD1 基因的第 4 個外顯子內，在秈稻中是胞嘧啶或胸腺嘧啶，粳稻中此位點是腺嘌呤。耐寒實驗顯示只有當 COLD1 基因中 SNP2 為腺嘌呤時才能互補 cold1-1 的耐寒缺陷，這說明特異的 SNP2 與粳稻的耐寒性直接相關。SNP2 為腺嘌呤的水稻材料都出現在中國的東北地區以及日本、韓國等年積溫較低的區域。進化生物學分析顯示 SNP2 處的腺嘌呤起源于中國的野生稻，在粳稻的人工馴化選擇過程中被保留下來[5]。類似情況在孕穗期也被發現，在溫帶粳稻的低溫環境馴化過程中，CTB4a 啟動子上的兩個 SNP 位點賦予粳稻在孕穗期有更強的耐寒性[14]。COLD1 是個 9 次跨膜的蛋白質，定位于細胞質膜和內質網膜。COLD1 可以與 G- 蛋白的 α 亞基 RGA1 互作，來自于粳稻的 COLD1 蛋白（COLD1jap）可以增強 RGA1 的酶活性。低溫刺激時，COLD1 參與 G- 蛋白的信號轉導，激活 Ca2+通道，觸發下游耐寒防御反應，從而賦予粳稻耐寒性。這些結果勾勒出了細胞膜處接收環境低溫、引起細胞質中生化反應、調控細胞核中特定防御基因的表達這一較為完整的途徑，解釋了粳稻耐受低溫的分子細胞學機制。

1.4 水稻廣譜持久抗病與產量平衡的遺傳與表觀遺傳調控機制

稻瘟病是水稻最嚴重的病害，被稱為水稻生產的“癌癥”，廣泛侵染水稻、小麥等禾本科作物，2012 年被列為十大真菌病害之首[15]。我國稻瘟病年均發病面積在 8 000 萬畝以上，減產 10%—20%，因此我國水稻新品種審定已實行稻瘟病抗性的“一票否決”制。生產上最經濟有效的方法是選育廣譜抗病新品種，但長期以來缺乏能有效應用于育種的廣譜與持久抗瘟基因，一般的抗病基因往往推廣幾年就喪失抗病性，而多個抗病基因聚合育種往往會降低產量與品質[16]。

為解決這個長期的理論與生產問題，我們與育種家合作，在不同生態區建立稻瘟病抗性自然鑒定病圃。經過多年多點篩選，獲得了一批廣譜持久的抗瘟材料。其中“谷梅 4 號”抗性表現最突出，優于國際上已知的具有廣譜抗性的 Pi-2、Pi-9、Pizt 等，30 多年的田間抗性記錄顯示其抗性可以一直保持。“谷梅 4 號”品種包含一個廣譜抗病位點，命名為Pigm[17]，該位點定位在第 6 號染色體上。Pigm 位點包含 13 個 NLR 類抗病基因。功能解析發現該位點編碼功能性的 NLR 受體蛋白 PigmR 和 PigmS。其中 PigmR 組成型表達，可形成同源二聚體，控制對所有檢測的稻瘟病菌小種的廣譜抗病性，但也存在抗病代價——使產量降低。而另一個 NLR 受體蛋白 PigmS 可以競爭性地與 PigmR 結合形成異源二聚體，抑制 PigmR 的抗病功能。在水稻長期進化和馴化過程中，PigmS 基因的表達受表觀遺傳調控，其在花粉中特異性高表達有利于提高水稻的產量，彌補 PigmR 降低產量的缺陷。正是由于 PigmS 低水平的表達，為病原菌提供了一個“避難所”，選擇壓力變小，減緩病原菌對 PigmR 致病性的進化，因此使 Pigm 位點具有持久的抗病性[6]。因此，利用 Pigm 位點選育的品種既有廣譜抗病性又不影響最終的產量。

該研究發現植物采用表觀遺傳方式，精妙調控一對功能拮抗的免疫受體蛋白協調廣譜抗病與產量平衡的新機制，是植物免疫和作物廣譜抗病機制的重大突破，是作物抗病的奠基性工作，為破解作物高抗與產量矛盾提出了新的理論與有效的分子技術，便于培育高產高抗新品種[18,19]。該成果已被隆平高科、豐樂種業、荃銀高科、中國水稻所等 40 多家育種單位應用于抗病分子育種。利用 Pigm 的特異分子標記快速選育改良一大批廣譜持久抗病水稻新材料，其中中國水稻所育成的高抗早秈稻品種已經推廣超過 1 000 萬畝，隆平高科已經有 4 個廣譜抗病新品種通過國家審定，具有巨大的應用價值。

1.5 氮高效利用分子模塊與綠色超級稻的培育

氮元素是有機體的必需營養成分，是決定作物生物量和產量的核心因素之一。長期以來，以追求產量為主要目標的農業生產模式導致化肥的過量施用，統計表明，全世界每年施用氮肥超過 1.2 億噸。我國化肥年用量 6 000 多萬噸，占世界化肥消費總量的 33%，是世界平均水平的 3 倍，而肥料利用率僅約 30%[20]。氮肥的使用為作物增產起到了巨大的推動作用，但氮肥大量施用不僅增加了農業生產成本，更為重要的是導致包括氣候變化、土壤酸化及水體富營養化等環境災難。正因為如此，氮污染被認為是 21 世紀人類面臨的最大環境挑戰，據估計僅歐盟每年用于治理氮污染的費用就在 700—3 200 億歐元之間。而另一方面，不斷增長的人口對糧食產量提出了更大需求。因此，如何在減少氮肥施用的同時提高農作物產量始終是困擾科學工作者的一個難題，而培育高氮肥利用效率的作物新品種是解決這一系列問題的關鍵。

研究揭示了 NRT1.1A，NRT1.1B 和 ARE1 等氮高效利用分子模塊[7,21,22]。NRT1.1B 編碼一個硝酸鹽轉運蛋白，其在秈粳稻間只有一個氨基酸差別，且秈稻與粳稻呈現出顯著分化。秈稻型 NRT1.1B 具有更高的硝酸鹽吸收及轉運活性。在含有秈稻型 NRT1.1B 的近等基因系材料中，硝酸鹽同化過程關鍵基因也被顯著上調，而在 nrt1.1b 突變體材料中相關基因被顯著抑制，表明秈稻中的 NRT1.1B 影響了硝酸鹽的吸收、轉運和同化等環節，從而導致秈稻具有更高的氮肥利用能力。因此，NRT1.1B 一個堿基的自然變異是導致粳稻與秈稻間氮肥利用效率差異的重要原因。將秈稻型 NRT1.1B 導入粳稻品種，在北京、上海、長沙 3 個試驗點進行的田間實驗表明，含有秈稻型 NRT1.1B 的粳稻品種在一半施氮條件下，與對照相比增產 30%—33%，氮肥利用效率提高 30%；在正常施氮條件下，增產 8%—10%，氮肥利用效率提高約 10%。這一結果表明，NRT1.1B 在粳稻氮利用效率改良上具有巨大應用價值[7]。為此，Nature Plants為該項成果寫的專評文章認為：“該項研究不僅揭示了水稻亞種間氮利用效率差異的分子機制，更為重要的是，它為綠色超級稻的培育提供了一個重要的基因資源”[23]。

我們與嘉興市農業科學研究院合作，通過分子模塊設計育種技術，利用 NRT1.1B 已培育多個具有較好應用前景的綠色水稻品系，在浙江連續 2 年進行的 50—100 畝連片種植測產的畝產可達 860—900 公斤。2017 年，華中農業大學組織的“全國綠色超級稻第三方評價”結果表明，所送 4 個品系分別在中氮水平即每公頃施肥 100 公斤（湖北每公頃平均施肥 180 公斤，減氮 80 公斤）下，產量最高可達 678 公斤（2015 年全國水稻平均畝產 453 公斤），在全國選送的 25 個材料中，分獲第 1 名、第 2 名、第 5 名和第 9 名。表明分子模塊設計育種技術體系在綠色超級稻培育中具有廣闊的應用前景。

1.6 水稻產量性狀雜種優勢機制

雜種優勢是指雜交子一代在適應性、產量、抗性等方面均優于雙親的生物學現象。近 50 年來，育種家根據雜種優勢和雄性不育原理，選擇和改良有效的雜交配組，通過三系法、兩系法等途徑培育出大量高產雜交稻，例如“汕優 63”“兩優培九”等，大幅提高了我國水稻產量。雜種優勢的產生是復雜的遺傳學現象，其背后的機理一直以來不完全清楚。

通過收集 1 495 份雜交稻品種材料，并對 17 套代表性遺傳群體進行了基因組分析和田間產量性狀考察，綜合利用數量遺傳學、基因組學及計算生物學領域的一系列新技術，全面、系統地鑒定出了控制水稻雜種優勢的主要基因位點，剖析了雜交稻雜種優勢的分子遺傳機制[8,24]。研究發現這些遺傳位點在雜合狀態時大多表現出不完全顯性，通過雜交育種產生了全新的基因型組合，從而在雜交一代高效地實現了對水稻花期、株型、產量各要素的理想搭配，形成雜種優勢。如傳統三系雜交稻組合中，父本（恢復系）聚集了較多的優良等位基因，綜合性狀配置優良；在此基礎上，來自母本（不育系/保持系）的少數等位基因則進一步改善了水稻植株的結實率、花期和穗粒數（如 hd3a 基因）及株型（如 IPA、tac1基因等），實現了雜交組合子一代的優勢表現。這些發現對推動雜交稻和常規稻的精準分子設計育種實踐有重大意義。

2 水稻分子模塊設計育種取得豐碩成果

2.1 “全基因組導航”分子模塊設計育種技術得到實驗驗證

“全基因組導航”分子模塊設計育種技術，通過對基因組進行掃描檢測，高效預測現有推廣品種中所遺缺或者需要改良的基因型組合，根據已有分子模塊及其互作關系，設計品種改良的最佳路徑，并借著基因組信息快速、準確地預測雜交群體中哪一個體是聚合眾多優良基因型的個體，為育種家培育理想品種提供最佳育種策略和方案[25]。利用此技術，明確了我國東北稻區、長江中下游稻區、黃淮稻區主栽品種所遺缺的分子模塊或需要改良的基因組合；然后針對不同品種遺缺的分子模塊和需要改良的基因組合，通過導入 1 個、2 個或 2 個以上分子模塊；結合全基因組選擇，已培育了 30 多個設計型水稻新品種，其中 4 個已通過國家審定。這些研究驗證了分子模塊設計育種技術可行性。這些分子模塊品種的育成和推廣，切實解決了我國主產稻區現存水稻品種的缺陷，為相關稻區水稻生產發揮重要的推動作用；同時建立和完善了以水稻為主的分子模塊設計育種創新體系，最終將帶動其他主要農作物品種的升級換代，引領我國農業領域新興種業的發展。

2.2 水稻分子模塊品種顯示巨大的生產潛力

東北稻區是我國優質米生產基地和商品糧基地，商品糧貢獻率高達 70%。近年來水稻主栽品種種性退化、稻瘟病頻發等因素嚴重影響稻米的生產。運用分子模塊設計育種理論和技術，筆者團隊培育出多模塊耦合新品種“中科 804”和“中科 902”。其中，“中科 804”以“吉粳 88”為底盤品種，耦合了粒型模塊 GS3、稻瘟病抗性模塊 Pi5 等，2017 年通過國家品種審定，適合東北地區第一積溫帶稻區種植。“中科 902”以“空育 131”為底盤品種，將抗稻瘟病模塊 Pizt、Pi35、Pb1、Pi21 以及香味模塊 Badh2 耦合育成，2017 年通過黑龍江省品種審定，有望成為黑龍江第三積溫帶主栽品種，解決該稻區 3 500 萬畝水稻生產的瓶頸問題。

長江中下游稻區是我國南方水稻的主要產區，近年來主栽品種退化嚴重。通過耦合 ipa1-2D，以及稻瘟病抗性模塊 PiZ、Pi5 等，育成高產、抗稻瘟病的“嘉優中科”1 號、2 號、3 號雜交粳稻新組合，順利通過省級品種審定。其中，“嘉優中科 1 號”具有高產、多抗、早熟、矮稈、大穗等特點，2017 年在江蘇沭陽進行了 1.4 萬畝示范，實測平均畝產 850 公斤，比當地主栽品種畝產增加 200 公斤以上。“嘉優中科 2 號”具有秈稻株型和粳稻品質，具有高產、多抗、早熟、優質等特點。“嘉優中科 3 號”2016 年在江蘇沭陽完成 1.1 萬畝示范，畝產達 917.7 公斤。“嘉優中科”系列模塊新品種的育成和推廣，實現了水稻優質、高產、多抗的完美結合，為李家洋院士團隊獲得 2017 年國家自然科學獎一等獎作出貢獻，系列成果被《人民日報》《光明日報》、 新華社、中央電視臺等 10 多家新聞媒體報道。

針對雜交稻米品質亟待提高的重大需求，將多個高產、優質、抗病、高效等模塊進行全基因組聚合，育成亞種間雜交稻新組合“中禾優 1 號”。該品種適應性強，從黃淮稻區到長江中下游稻區均能種植，兼具秈稻的外觀和粳稻的口感，實現了高產和優質的完美結合，切實解決雜交稻米質差的問題；實測畝產 937.6 公斤，比對照“徐稻 3 號”增產 20.8%，品質達國標 2 級，并于 2018 年獲得國家品種審定。同時，針對黃淮稻區直播稻品種的缺乏，以“武運粳 8 號”為底盤品種，通過導入早熟、抗稻瘟病、抗條紋葉枯病等模塊，育成了優質高產粳稻品種“中科鹽 1 號”，并于2018 年獲得國家品種審定。

3 展望

在先導專項資助下，凝聚了一支包括基礎研究、技術研發和育種的研究隊伍，建立了水稻種質資源庫和基因組數據庫，獲得了一批有重要育種價值的分子模塊，在水稻高產優質協同改良、感受與抵御低溫、廣譜持久抗病與產量平衡、氮高效利用、高產性狀雜種優勢機制等方面取得了有重要國際影響力的成果，分子模塊設計育種技術體系得到實驗驗證。

但水稻是一個復雜的生命系統，除了基因以及基因間互作外，性狀的形成還涉及基因與環境的互作，我們對復雜性狀的遺傳網絡的認識還非常有限，獲得的可用于設計育種的重要基因相對較少，還缺乏在基因組層面檢測或預測基因-基因或基因-環境因子互作的生物學效應的數學模型，這些是建立和完善從“分子模塊”到“設計型品種”的現代育種創新體系的制約因素。

下一階段的方向應將圍繞著 3 個方面開展工作：①

計算生物學和機器學習等途徑揭示農藝性狀調控的分子網絡。充分利用水稻種質資源和基因組數據，擴大國際交流與合作，聯合利用功能基因組學技術及基因組編輯技術加速種質和基因資源的發掘和利用，明確基因變異?功能變化以及調控網絡。② 以綠色分子設計為目標實現品種的精準設計。系統評價水稻種質資源材料的產量、品質、逆境抗性和養分利用效率等性狀，構建在基因組層面檢測或預測基因-基因或基因-環境因子互作的生物學效應的數學模型，實現基因型和環境因素及其耦合效應的預測，以建立需求導向的作物設計方案，推動作物的精準設計。③ 以水稻分子設計模式應用于復雜基因組作物小麥品種設計。推動傳統育種向高效、精準、定向的分子設計育種轉變，最終促成水稻等糧食生產的現代化、規模化和高效性發展。