作物從頭馴化策略的提出與進(jìn)展

張靜昆 ， 李文佳 ， 曾鵬 ， 孟祥兵 ， 余泓 ， 李家洋 ，3*

（1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，北京 100101； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.海南省崖州灣種子實驗室，海南 三亞 572025； 4.海南大學(xué)三亞南繁研究院，海南 三亞 572024）

種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，育種技術(shù)的發(fā)展對于保障世界糧食安全發(fā)揮了重要的作用。從近代農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程來看，育種技術(shù)的創(chuàng)新使得育種效率不斷提高，新型品種的更新?lián)Q代使得糧食產(chǎn)量大幅提升，全球糧食總產(chǎn)量從1960年的8.63億t增長到了2020年的29.96億t。然而，到2050年世界人口將超過90億，糧食產(chǎn)量需要再增加約60%才可以滿足需求[1]。同時，氣候變化等因素嚴(yán)重影響糧食產(chǎn)量，極端氣候發(fā)生頻率逐年升高。這些新的問題對于現(xiàn)有種質(zhì)與傳統(tǒng)育種技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。未來，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的“智能作物”（smart crops）被認(rèn)為是應(yīng)對挑戰(zhàn)的有效策略[2]。從頭馴化(de novodomestication)策略可利用更為廣泛的自然資源來培育全新類型的智能作物，有望引領(lǐng)新一輪的農(nóng)業(yè)革命。本文綜述了從頭馴化的發(fā)展和技術(shù)路線、野生資源基礎(chǔ)、馴化機(jī)制解析及底層生物技術(shù)，分析了從頭馴化策略可能面臨的挑戰(zhàn)，旨在為其在作物育種上的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 從頭馴化策略簡介

1.1 從頭馴化的基本概念

從頭馴化是指篩選具有特定優(yōu)異性狀（如耐鹽堿、抗病蟲、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生物量大、能夠合成重要天然化合物等具有重要應(yīng)用前景的性狀）的野生或半野生植物，綜合應(yīng)用基因組編輯、功能基因組學(xué)、生物信息學(xué)、染色體工程、合成生物學(xué)等技術(shù)與理論，高效精準(zhǔn)改良野生植物的未馴化性狀，使其能夠適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而培育出全新作物的一種育種策略[3]。所培育出的新型作物既保留野生材料的優(yōu)勢，又符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，大大豐富農(nóng)業(yè)生態(tài)多樣性。按照馴化物種的不同，特別是野生物種的馴化程度及與栽培作物是否存在生殖隔離等特征的差異，從頭馴化路徑大體可以分為3個主要方向(圖1)：①現(xiàn)有栽培品種的祖先野生植物的重新馴化，可快速地將自然馴化中丟失的抗逆性狀導(dǎo)入到栽培品種中，拓寬現(xiàn)有栽培品種的遺傳多樣性，填補(bǔ)栽培品種缺乏的優(yōu)異性狀；②新野生植物的從頭馴化，可對未被人類馴化過的優(yōu)異野生物種進(jìn)行快速從頭馴化，突破現(xiàn)有作物的物種限制，培育全新作物類型；③加速半野生植物或孤生作物的馴化，可針對只適宜特定區(qū)域種植而育種投入相對較小的特色作物，快速改良其未馴化性狀，助力發(fā)展地區(qū)特色農(nóng)業(yè)。

圖1 從頭馴化的主要策略Fig. 1 Major strategies of de novo domestication

1.2 從頭馴化理念的提出

隨著功能基因組學(xué)的快速發(fā)展，馴化事件的遺傳機(jī)制被研究的越來越清晰。2013年，中國科學(xué)院植物研究所桑濤研究員和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士綜述了谷物作物馴化事件的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)，并提出通過科學(xué)的雜交設(shè)計可以加速作物馴化綜合特征的遺傳改良（speed up domestication syndrome），且隨著遺傳學(xué)、基因組學(xué)研究和先進(jìn)的生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，此過程將進(jìn)一步加速[4]。同年，中國科學(xué)院植物研究所桑濤研究員和葛頌研究員總結(jié)了栽培稻的馴化歷程，提出數(shù)量性狀位點定位、全基因組關(guān)聯(lián)分析和基因組掃描等技術(shù)是挖掘栽培和野生物種有價值等位基因的有效手段，且利用廣泛搜集的種質(zhì)以及產(chǎn)生的等位基因庫，結(jié)合分子育種可能會觸發(fā)水稻品種的重新馴化(re-domestication)[5]。與此同時，以CRISPR/Cas9為基礎(chǔ)的高效基因組編輯技術(shù)在植物和作物上首次應(yīng)用，大大拓展了對植物基因組進(jìn)行改造的技術(shù)手段[6-8]。2017年，巴西圣保羅大學(xué) Lázaro Eustáquio Pereira Peres團(tuán)隊提出，可以利用最新的基因組編輯技術(shù)從頭馴化具有抗逆性或其他目標(biāo)性狀的野生近緣種，并具體舉例可以通過編輯野生多腺番茄(Solanum galapagense，可耐受高達(dá)70%的海水鹽度)中的SP、FW2.2、FAS、LN、Cyc-B和S基因，有望創(chuàng)制出株型與果實性狀均改良的高抗鹽番茄[9]。2017年，丹麥哥本哈根大學(xué)的Michael Palmgren團(tuán)隊提出加速馴化(accelerating domestication)策略，并建議從模擬馴化事件和利用基因組編輯技術(shù)兩大方面來實現(xiàn)并加速馴化[10]。

1.3 從頭馴化取得突破性進(jìn)展

2018年，Nature Biotechnology雜志同期發(fā)表了2篇文章，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊和許操團(tuán)隊合作，利用多基因組編輯技術(shù)精準(zhǔn)靶向目標(biāo)基因的編碼區(qū)，順式作用元件以及上游開放閱讀框區(qū)域，創(chuàng)制出綜合性狀改良的番茄，同時又保持了野生番茄的天然抗性[11]；Lázaro Eustáquio Pereira Peres團(tuán)隊和德國明斯特大學(xué)J?rg Kudla團(tuán)隊合作，通過對番茄祖先種野生醋栗番茄(Solanum pimpinellifolium)中控制重要農(nóng)藝性狀的主效基因進(jìn)行編輯，快速實現(xiàn)了產(chǎn)量和品質(zhì)優(yōu)良性狀的聚合，這兩項重要的工作首次實現(xiàn)了野生種質(zhì)的快速馴化，證明了從頭馴化育種策略的可行性[12]。同年，美國冷泉港實驗室Zachary B. Lippman 團(tuán)隊對孤生作物(orphan crop)燈籠果(Physalis pruinosa)進(jìn)行馴化，改良了燈籠果的株型、掛果數(shù)量和果實大小[13]。

2021年，李家洋團(tuán)隊提出異源四倍體野生稻的從頭馴化育種策略，該策略以南美起源的未被人類馴化過的四倍體野生稻為基礎(chǔ)，利用其所具有的生物量大、耐逆性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢，提出了一種培育高產(chǎn)、抗逆、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的全新糧食作物的方案，并突破了包括遺傳轉(zhuǎn)化在內(nèi)的一系列四倍體野生稻快速馴化的技術(shù)瓶頸，成功對多個馴化性狀進(jìn)行快速改良，證明了該策略高度可行，有望突破現(xiàn)有栽培稻的育種瓶頸，為創(chuàng)制全新糧食作物、保障世界糧食安全開辟了新的路徑[14]。

2 野生植物從頭馴化的理論與技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 從頭馴化技術(shù)路線

目前，從頭馴化的整體技術(shù)路線已經(jīng)得到比較完整的闡述[14]，可分為4個階段：①收集并篩選綜合性狀最佳的目標(biāo)種質(zhì)資源；②建立目標(biāo)種質(zhì)從頭馴化技術(shù)體系，其中包括3個核心點，即高效遺傳轉(zhuǎn)化體系、高效基因組編輯技術(shù)體系和高質(zhì)量參考基因組的建立；③品種分子設(shè)計與快速馴化，挖掘野生種質(zhì)資源基因并確定功能基因，利用多基因編輯技術(shù)進(jìn)行優(yōu)良性狀的聚合，評估綜合性狀；④新型作物的審定、推廣與應(yīng)用(圖2)。

圖2 從頭馴化策略的實施路線Fig. 2 Practical route of de novo domestication

2.2 野生植物的資源基礎(chǔ)

現(xiàn)代栽培種的遺傳背景狹窄，已成為種質(zhì)創(chuàng)新的重要瓶頸。野生種質(zhì)資源通常具有抗病蟲、耐鹽堿等天然優(yōu)勢，且由于未被大面積單一化種植，遺傳多樣性豐富。因而，利用野生種質(zhì)鑒定克隆新基因或基因模塊已成為育種改良的重要方向之一。例如將野生龍葵(Solanum americanum)的Rpi-amr1基因?qū)腭R鈴薯中，對19種可導(dǎo)致馬鈴薯晚疫病的致病疫霉具有抗性作用，為防治馬鈴薯晚疫病提供全新遺傳資源[15]。同時，基于野生種質(zhì)構(gòu)建的遺傳群體和等位基因庫可以用來解析優(yōu)異等位馴化的起源與演變規(guī)律，為作物從頭馴化提供候選基因。雖然從野生資源中已經(jīng)鑒定出了一些控制抗病蟲、耐鹽堿、抗除草劑、營養(yǎng)高效等重要性狀的基因，但整體由于野生資源難與栽培品種雜交或染色體重組效率很低，能夠真正應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的仍然非常有限。

種質(zhì)資源作為基礎(chǔ)材料，從搜集、整理、鑒定、擴(kuò)繁、記錄、存儲和利用都要進(jìn)行有效保護(hù)與科學(xué)研究。廣泛搜集不同起源生境的種質(zhì)，建立高通量的表型鑒定檢測平臺，系統(tǒng)地對這些資源進(jìn)行鑒定，篩選具有優(yōu)異性狀的種質(zhì)資源，是野生資源利用以及從頭馴化的重要基礎(chǔ)。我國野生資源非常豐富，目前收集并保存的農(nóng)作物種質(zhì)資源合計超過52萬份，但僅有10%的資源材料有初步的表型鑒定記錄[16]。如何建立特定育種目標(biāo)的篩選體系，如抗病、抗蟲苗圃以及不同濃度的鹽池等，進(jìn)行規(guī)模化篩選和優(yōu)異野生資源鑒定，將對從頭馴化研究具有重要意義。同時，種質(zhì)的利用要遵守相應(yīng)的法律法規(guī)，保障種質(zhì)的合理輸出與輸入。

2.3 從頭馴化的功能基因組學(xué)基礎(chǔ)

作物馴化是人類文明起始的里程碑事件。作物馴化的本質(zhì)是人類對具有潛力的野生植物進(jìn)行選擇，從大量的自然變異中保留優(yōu)異的等位基因，使得植物性狀發(fā)生改變以適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，滿足人類需求。在漫長的作物馴化中，作物落粒性喪失、種子變多、休眠性下降、果實增大、株型直立。此外，種子顏色、穗型、生育期等都發(fā)生改變[17]。栽培品種與野生祖先種中表現(xiàn)出的性狀差異被稱為“馴化綜合特征”。Meyer等[18]研究表明，在203種作物中，每種作物平均包含有2.8個馴化綜合特征，84%的作物具有2～5個馴化綜合特征，而有些作物則多達(dá)7個。然而，隨著作物馴化與育種，優(yōu)異品種被大面積單一化種植，不可避免地降低作物遺傳多樣性。從頭馴化策略是從野生或半野生物種的天然優(yōu)異特性和遺傳多樣性出發(fā)，針對馴化綜合特征進(jìn)行設(shè)計和定向改良。隨著遺傳學(xué)和功能基因組學(xué)的發(fā)展，控制馴化性狀形成的特定基因相繼得到克隆[19]。而作物馴化和改良相關(guān)理論知識也是對野生植物進(jìn)行從頭馴化的關(guān)鍵基礎(chǔ)與前提。下面總結(jié)了重要作物關(guān)鍵馴化性狀的遺傳基礎(chǔ)。

亞洲栽培稻(Oryza sativa)是由亞洲起源的二倍體普通野生稻(Oryza rufipogon)馴化而來。目前，從野生稻到栽培水稻的主要馴化性狀及其基因已經(jīng)得到了較為清楚的解析。野生稻落粒性的喪失是由于qSH1基因和Sh4基因分別在調(diào)控區(qū)和編碼區(qū)發(fā)生的突變導(dǎo)致[20-21]。水稻由匍匐生長變?yōu)橹绷⑸L是由PROG1基因的突變導(dǎo)致[22-23]。穗型由松散變?yōu)榫o湊的分子基礎(chǔ)是OsLG1上游3.3 kb 調(diào)控區(qū) SNP 的突 變或其上 游 10 kb 的SPR3位點變異[24-25]。An-1、An-2/LABA1、RAE2分別編碼螺旋-環(huán)-螺旋蛋白、細(xì)胞分裂素激活酶和表皮模式因子類蛋白EPFL1，均能正調(diào)控芒長，亞洲栽培稻中這些基因的功能喪失導(dǎo)致芒變短或無芒表型[26-28]。GW5/GSE5啟動子區(qū)域1.2 kb的缺失會抑制該基因的表達(dá)，從而促進(jìn)穎殼細(xì)胞的分裂，增加栽培稻的粒寬與粒重[29]。Rc是控制種子顏色的主效基因，其第6個外顯子上14 bp的缺失不僅可以調(diào)控種子中原花色素的合成，也促進(jìn)ABA合成基因的表達(dá)，同時減弱栽培稻的種子休眠性[30-31]。Bh4第3外顯子上存在22 bp的缺失致使栽培水稻谷殼顏色變?yōu)辄S色[32]。同時，品質(zhì)性狀也在馴化選擇中得到提升。Wx基因編碼顆粒淀粉合成酶，能夠影響蒸煮品質(zhì)、膠稠度以及糊化溫度，已報道的Wx基因至少存在8種復(fù)等位變異，且具有地域性[33]。除以上馴化基因外也有許多控制重要農(nóng)藝性狀的基因在現(xiàn)代作物育種中發(fā)揮重要作用，如綠色革命基因SD1、理想株型基因IPA1、分蘗角度基因TAC1、穗粒數(shù)基因Gn1a和FZP、落?；騍H5和SHAT1、休眠基因Sdr4和OsG，以及粒長基因GS3、GL3.1、GL7等。此外，作物生育期決定了種質(zhì)擴(kuò)散與適宜的地域分布，DTH7、Ghd7、Ghd8、HD1等基因的不同等位組合共同決定了水稻品種的感光性和地域適應(yīng)性[34-35]。

玉米(Zea maysL.)是從墨西哥和中美洲起源的祖先種大芻草(Purus frumentum)馴化而來，研究人員利用玉米和大芻草雜交群體，明確了玉米馴化中5個重要的性狀發(fā)生了改變，分別是雌穗花序結(jié)構(gòu)、穗行數(shù)、穗軸脫落性、籽粒裸露性以及分蘗數(shù)目[36-38]。穗花序形態(tài)建成基因RA1控制腋生分生組織的命運，其開放閱讀框位置發(fā)生氨基酸種類和數(shù)目的突變而降低了RA1的表達(dá)水平，進(jìn)而降低雌穗分支[39]。ZFL1和ZFL2外顯子區(qū)域的功能缺失突變使玉米果穗花序為多列式，通過增加穗行數(shù)而提高產(chǎn)量[40]。ZmSh1-1、ZmSh1-5.1和ZmSh1-5.2是控制果穗脫落的基因，3個基因均發(fā)生結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致功能喪失，且Sh1在高粱、水稻中受到平行選擇[41]。TGA1基因編碼SBP轉(zhuǎn)錄因子，其氨基酸突變能使籽粒從堅硬稃殼包裹中裸露出來[42]。TB1編碼TCP轉(zhuǎn)錄因子，玉米中該基因上游60 kb區(qū)域的轉(zhuǎn)座子插入能夠增強(qiáng)TB1的表達(dá)，進(jìn)而抑制分蘗數(shù)目，同時增強(qiáng)頂端優(yōu)勢[43]。

小麥(Triticum aestivum)是在中東新月沃地馴化而來。野生小麥具有碎穗性狀和包殼性狀，從而便于種子擴(kuò)散和趨避鳥類。小麥TtBtr1-A外顯子中2 bp的缺失和TtBtr1-B外顯子中4 kb的插入分別導(dǎo)致TtBtr1-A和TtBtr1-B蛋白功能喪失，使小麥種子不再破碎，從而提高收獲指數(shù)[44]。在栽培小麥中Q基因的SNP突變使得Q表達(dá)上調(diào)，從而籽粒變得容易脫落。Q基因受到明顯選擇且控制著小麥多個馴化性狀，如穎片形狀和堅韌性、穗軸韌性、穗長、株高和抽穗時間等[45-46]。Tg1-B和Tg1-D也控制小麥脫粒性狀[47]。春化特性直接影響小麥的種植范圍，其主要受春化基因Vrn1調(diào)控，該基因編碼MADS轉(zhuǎn)錄因子，能促進(jìn)開花；Vrn1啟動子或內(nèi)含子的變異決定了其表達(dá)水平，春小麥中Vrn1基因表達(dá)量較高，而冬小麥中Vrn1表達(dá)量處于較低水平[48-49]。

番茄馴化同樣改良了株型和果實大小。野生番茄為無限生長型，營養(yǎng)生長和生殖生長交替進(jìn)行。SP基因編碼抗花素，該基因1個氨基酸的突變使栽培番茄株型矮化緊湊，坐果集中且適于密植[50]?？够ㄋ鼗蛟诖蠖?、草莓、向日葵等馴化改良中同樣得到應(yīng)用[51]。fw2.2基因順式區(qū)域的改變降低其表達(dá)，進(jìn)而增加了果實大小[52]。此外，腔室數(shù)目的增加被認(rèn)為是番茄果實馴化中最重要的增產(chǎn)因素，fasciated基因ATG下游330 bp處7 bp的缺失和第1個外顯子6～8 kb的插入使得fasciated表達(dá)下調(diào)從而大大增加果實中腔室數(shù)目[53]。隨著研究的深入，作物馴化不僅僅使植物在可見的株型等性狀上發(fā)生了改良，在代謝層面也造成了很大變化[54-55]。在果實作物中，風(fēng)味物質(zhì)、色素等次生代謝物的變化是高度常見的馴化事件，且發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于其他農(nóng)藝性狀改變[18]，可能是由于它們對果實品質(zhì)有決定性影響。

近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，盡管馴化的物種、地點不同，人類對不同作物的許多性狀進(jìn)行了趨同馴化（convergent domestication）。例如玉米ZmKRN2基因5’UTR的變異在玉米中受到馴化選擇，降低了該基因的表達(dá)量，導(dǎo)致穗行數(shù)增加，而水稻中的同源基因OsKRN2也位于馴化選擇區(qū)域內(nèi)，功能喪失可以增加水稻穗粒數(shù)[56]。玉米ZmTB1、水稻OsTB1、大麥HvTB1、小麥TaTB1均作為分蘗的負(fù)調(diào)控因子發(fā)揮功能[57]。除了性狀上的趨同選擇，在分子層面也有越來越多的研究表明，重要的基因在不同物種中存在平行馴化(parallel domestication)，例如調(diào)控種子休眠的G基因在不同科植物（大豆、水稻、擬南芥等）馴化中受到平行選擇[58]?？刂粕诘闹餍Щ騂D1在高粱、谷子以及水稻中均受到平行選擇，即使在不同谷物作物中受到選擇的變異類型不同，但都改變了作物生育期和地域適應(yīng)性[59]。此外，質(zhì)體基因組是如何受到馴化選擇仍需進(jìn)一步研究。隨著新技術(shù)的發(fā)展，更多馴化重要基因的克隆將為從頭馴化策略提供可用的遺傳資源。

2.4 從頭馴化的基礎(chǔ)技術(shù)

高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系是對目標(biāo)種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳操作的基礎(chǔ)，也是從頭馴化的基本底層技術(shù)。植物遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展，已產(chǎn)生了多種操作方法，其中農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法因具有高效、經(jīng)濟(jì)便捷、操作簡單等優(yōu)點，已在水稻、玉米、油菜、小麥、大麥、大豆、番茄、棉花、高粱、土豆、蘋果、無花果等植物中被廣泛應(yīng)用，農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法也是目前進(jìn)行植物基因組編輯的主要方法[60]。然而，盡管植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)得到不斷優(yōu)化與發(fā)展，但目前僅有約0.1%的植物能夠進(jìn)行遺傳操作，如何在野生植物中進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化仍然是非常有挑戰(zhàn)性的一項前沿工作[61]。以水稻為例，雖然世界上首例轉(zhuǎn)基因水稻問世距今已有30多年時間，現(xiàn)在的遺傳轉(zhuǎn)化體系仍只能主要適用于亞洲栽培稻，特別是粳稻品種的轉(zhuǎn)化效率較高，而秈稻品種仍只有特定遺傳背景的品種可以轉(zhuǎn)化[62-64]。對于野生稻而言，只有AA、BB、FF基因組的二倍體野生稻實現(xiàn)了低效率的遺傳轉(zhuǎn)化[65]。近期，CCDD異源四倍體野生稻以成熟胚作為外植體的組培再生和遺傳轉(zhuǎn)化取得重大突破，而這一技術(shù)瓶頸的突破也是開展異源四倍體野生稻從頭馴化的前提[14]。未來在不同野生植物的從頭馴化實踐中，建立目標(biāo)種質(zhì)資源的遺傳轉(zhuǎn)化體系尤為重要。近幾年研究發(fā)現(xiàn)一些發(fā)育調(diào)節(jié)因子可以提高遺傳轉(zhuǎn)化效率。如35S強(qiáng)啟動子驅(qū)動ZmBbm1結(jié)合Nos弱啟動子驅(qū)動Wus2的方法可以在單雙子葉作物中誘導(dǎo)芽的從頭再生，進(jìn)而突破遺傳轉(zhuǎn)化的組織培養(yǎng)和基因型限制[66]。過表達(dá)GRF4及其共調(diào)節(jié)子基因GIF1可以促進(jìn)小麥、黑小麥、水稻、柑橘愈傷組織的再生能力[67]。近期，朱健康院士團(tuán)隊開發(fā)出一種切-浸-萌芽（cut-dipbudding）的方法，無需進(jìn)行組織培養(yǎng)，成功實現(xiàn)了多種植物（橡膠草、小冠花、甘薯、臭椿、遼東楤木、臭茉莉）的遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯[61]。此外，基因槍法、花粉管通道法及新型納米材料等也能用于創(chuàng)制遺傳改良材料。

基因組編輯可以按照設(shè)計快速創(chuàng)制新的等位基因，是從頭馴化的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有的基因組編輯技術(shù)包括單堿基定點編輯、單基因和多基因編輯、先導(dǎo)編輯等系統(tǒng)，在作物育種方面展示出強(qiáng)大的應(yīng)用前景。尤其是CRISPR/Cas系統(tǒng)能夠使用多種Cas核酸酶變體識別不同PAM，可以滿足基因組靶點設(shè)計的需求。針對野生植物，進(jìn)一步提升基因組編輯效率、擴(kuò)大靶點設(shè)計范圍、增加多靶點編輯效率、增加純合體并降低嵌合體比例，都能極大地提高從頭馴化的效率。在遞送系統(tǒng)改良上，還可以利用RNA病毒，如煙草花葉病毒載體(TMV)和煙草脆裂病毒載體(TRV)系統(tǒng)地大量感染植物，并輸送到植物的生長點，且病毒RNA基因組不會整合到植物基因組中，擴(kuò)展了CRISPR/Cas9系統(tǒng)的實用性[68]。雙生病毒載體整合CRISPR/Cas9系統(tǒng)在水稻中可實現(xiàn)外源基因的定點敲入[69]。對特定細(xì)胞器進(jìn)行基因組編輯近年來取得了很大進(jìn)展，例如基于TALEN系統(tǒng)對葉綠體、線粒體基因的編輯[70-71]，是對質(zhì)體基因組里潛在的馴化基因進(jìn)行改造的有利工具。

基因組測序與組裝是解碼目標(biāo)種質(zhì)遺傳信息的前提，馴化相關(guān)基因的序列信息為從頭馴化中應(yīng)該對哪些基因進(jìn)行什么樣的基因編輯提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。自2000年首次報道擬南芥的完整基因組以來，截至2020年，已有788個植物物種被測序，其中有47個物種的基因組已組裝到染色體水平[72]。隨著測序成本的降低和樣本通量的擴(kuò)大，二代測序、實時熒光單分子測序、染色體構(gòu)象捕獲等技術(shù)的綜合應(yīng)用開啟了植物基因組測序新篇章。一方面對于復(fù)雜基因組的組裝也取得重要進(jìn)展，在被子植物中，48種四倍體、5種六倍體和6種八倍體植物已完成測序[72]。這些參考基因組的繪制可以為目標(biāo)種質(zhì)的遺傳改良提供基因資源。另一方面，許多作物的基因組學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入泛基因組時代。泛基因組的構(gòu)建可以得到物種全面且準(zhǔn)確的變異信息，例如對251份來自不同國家和地區(qū)的亞洲栽培稻、亞洲野生稻、非洲栽培稻和非洲野生稻構(gòu)建高質(zhì)量的水稻泛基因組，鑒定了抗逆基因家族NLRs圖譜，解析了亞洲稻和非洲稻耐水淹適應(yīng)性，揭示了落粒性喪失以及株型從匍匐到直立的平行馴化[73]。此外，已構(gòu)建番茄、大豆、向日葵、油菜等泛基因組，有助于種質(zhì)資源的挖掘和利用[74-76]。

2.5 從頭馴化的相關(guān)政策

從頭馴化產(chǎn)生的新作物如何能夠真正地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需要國家政策保障，這主要包含3個層面的保障。

第一層面，從頭馴化以基因組編輯技術(shù)為基礎(chǔ)，首先是健全完善對基因組編輯植物的管理政策。為規(guī)范農(nóng)用基因組編輯植物生物安全評價工作，2022年1月24日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南（試行）》指出，對于未引入外源基因的基因組編輯植物，可依據(jù)分子特征、遺傳穩(wěn)定性、環(huán)境安全和食用安全等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生物安全綜合評價，申請生產(chǎn)應(yīng)用安全證書。除了國內(nèi)對基因組編輯育種的重視，國際上對基因組編輯技術(shù)的應(yīng)用也進(jìn)行扶持。美國是世界上基因編輯作物產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)先的國家。2014年美國批準(zhǔn)了首個基因組編輯油菜品種SU Canola（耐磺酰脲類除草劑）的商業(yè)化種植，之后又批準(zhǔn)了150多種基因組編輯新植物[77]。2021年，美國發(fā)布的《面向2030年食品和農(nóng)業(yè)的技術(shù)突破》（Science Breakthroughs to Advanced Food and Agricultural Research by 2030）中指出，應(yīng)當(dāng)鼓勵突破性的基因組學(xué)和精準(zhǔn)育種技術(shù)。法國已將基因組編輯作物視為非轉(zhuǎn)基因植物，英國也表示將對基因組編輯作物采取更為寬松的監(jiān)管方案。俄羅斯通過了《2019—2027年聯(lián)邦基因技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，指出主要目標(biāo)為加速發(fā)展包括基因組編輯在內(nèi)的基因技術(shù)。日本已對基因編輯農(nóng)作物豁免轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品監(jiān)管程序。

第二層面，國家要建立和完善對從頭馴化作物的管理與審定政策。僅僅有政策支持，沒有審定渠道，新種子就沒辦法到農(nóng)民手里在田間生產(chǎn)。從頭馴化新作物可能是之前種子法未涵蓋的品種，對于新型作物的管理需要制定詳盡的審定程序、相關(guān)條例，發(fā)布生產(chǎn)性實驗和申請安全證書的相關(guān)規(guī)定與流程。確保生物安全前提下探索更為高效的審定模式，讓相關(guān)產(chǎn)品有法可依進(jìn)行推廣。攻克生物技術(shù)育種產(chǎn)業(yè)化的障礙，激發(fā)科研機(jī)構(gòu)、種子企業(yè)的創(chuàng)新動力，推動種業(yè)發(fā)展。

第三層面，考慮社會公眾對于基因組編輯植物的接受程度。加大前期科普工作，避免公眾對于基因組編輯作物缺乏科學(xué)的認(rèn)識而阻礙新作物進(jìn)入市場。政府在加強(qiáng)基因組編輯作物監(jiān)管的同時，讓生物安全與風(fēng)險評估更加透明化，廣泛聽取公眾意見。將科技創(chuàng)新與科普工作相結(jié)合，傳播科學(xué)思想，進(jìn)而真正促進(jìn)編輯作物的商業(yè)化。

3 挑戰(zhàn)與展望

種子是農(nóng)業(yè)的芯片，種質(zhì)創(chuàng)新在驅(qū)動農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。從頭馴化策略大大拓寬了人類可利用的遺傳資源，開啟了全新的作物育種方向。但要真正實現(xiàn)從頭馴化作物，仍需多方面的努力：一是保護(hù)好種質(zhì)資源的存儲與擴(kuò)繁，系統(tǒng)加強(qiáng)種子的收集、整理、存檔、存儲與擴(kuò)繁等各個環(huán)節(jié)；二是解析作物馴化規(guī)律，揭示重要農(nóng)藝性狀形成的關(guān)鍵基因以及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；三是開發(fā)高效多元的基因組編輯技術(shù)和遺傳載體的遞送系統(tǒng)，在通用的技術(shù)體系下，開發(fā)特定野生植物的遺傳轉(zhuǎn)化和遞送系統(tǒng)；四是大量創(chuàng)制從頭馴化新材料，生成全新的遺傳資源庫，篩選新型種質(zhì)資源；五是探索并建立從頭馴化新作物的相關(guān)政策法規(guī)，特別是從頭馴化以基因組編輯為基礎(chǔ)，需要健全基因組編輯品種的審定與管理辦法，且涉及的物種可能是之前未涵蓋的物種，需要完善種子法相關(guān)規(guī)定等；六是開發(fā)適宜的商業(yè)模式，做好作物推廣以及科普工作，才能真正保障從頭馴化新作物的商業(yè)化生產(chǎn)。這些工作上下游串聯(lián)了多個學(xué)科，需要系統(tǒng)開展廣泛深入的合作研究。

從頭馴化育種策略有望引領(lǐng)育種新方向。野生或半野生植物中蘊含著栽培品種中已經(jīng)喪失的優(yōu)異基因資源。通過對野生植物的快速馴化可以培育出高抗作物，提高作物環(huán)境和氣候適應(yīng)性，減少農(nóng)藥等使用，發(fā)展環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)；選取能夠在邊際土地上生長的野生植物，有望實現(xiàn)邊際土地的利用，增加可用的耕地面積；利用多倍體野生植物在生物量和環(huán)境適應(yīng)力上的天然優(yōu)勢，結(jié)合雜種優(yōu)勢利用，有望能夠突破現(xiàn)有作物產(chǎn)量瓶頸，大幅提高作物產(chǎn)量。在篩選目標(biāo)種質(zhì)時，選擇具有以上優(yōu)勢的野生或半野生植物，可以培育出綜合性狀更加優(yōu)良的新作物，為世界糧食安全保駕護(hù)航。