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下一代测序助力张启发研究“转基因水稻”

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,与玉米、小麦、土豆被称为“世界四大主粮”。在过去的50年里水稻尤其是籼稻(indica )的改良取得了一些里程碑式的成果。其中一项重大的突破是在上世纪的五六十年代中国及国际水稻研究所(IRRI)开发出了一系列半矮杆水稻品种,促成了水稻的“绿色革命”。


此后,半矮杆成为了几乎所有现代水稻品种的一个基本特征。基于半矮杆品种,科学家们进而又改良了其他的一些性状,例如非生物胁迫抗性、广泛的生物胁迫抗性及更好的稻米品质。另一个重要的突破是利用杂种优势,促成了自上世纪70年代以来大规模地采用杂交水稻。


中国科学院院士,美国科学院外籍院士、第三世界科学院院士、华中农业大学生命科学技术学院教授张启发院士曾经一度因为“黄金大米”事件而被公众针砭不一。作为国际著名的植物遗传和分子生物学家,他长期致力于水稻基因组研究,旨在通过植物基因组分析、重要基因的分离克隆、杂种优势的遗传和分子基础、作物品种资源的分子评估及应用分子生物学技术进行水稻改良。被誉为“中国转基因水稻第一人”。


事实上,专注于植物基因组、重要基因的分离克隆、杂种优势的遗传和分子基础等研究工作的他取得一系列重大成果,在国际上产生了很大的影响。


医学生物技术因在一定程度上可以治病救人而早已被民众接受(事实上,疫苗导致了选择的加速、新病毒的出现,人工器官的出现使垃圾基因逃避自然的筛选)。


转基因水稻作为一种农业生物技术却一直存在一定争议。例如中国科学院院士、华中农业大学生命科学学院院长张启发对转基因水稻表示支持,并在2013年7月联合61名两院院士联名上书国家领导人,请求尽快推进转基因水稻产业化;相比之下,“绿色和平”等环保组织对此持反对态度。中国著名作物遗传育种学家、中国农业大学许启凤教授认为,转基因产品,特别是转基因主粮,是不安全的。


9月10日,在《美国国家科学院》(PNAS)杂志上,华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室主任张启发(Qifa Zhang)院士及练兴明(Xingming Lian)教授通过下一代测序技术(NGS)分析1479个水稻品种绘制出基因组变异图谱,揭示出了水稻改良的育种标签。


近年来的基因组研究鉴别出了大量在水稻驯化过程中经过选择的基因位点,但目前仍少有研究鉴别由于育种经历选择的基因位点或基因组区域。

下一代测序技术使得能够以相对较低的成本测试大量的水稻品种,为调查作物改良史中受到选择的基因组区域提供了机会。


同时,全基因组关联研究(GWAS)为分析复杂性状的遗传结构提供了一种有效的方法,使得能够鉴别出一些候选基因进一步改良一些农艺重要性状。


在这篇文章中研究人员报告称,他们分析了来自73个国家1,479个水稻品种,包括一些地方品种和现代栽培种的低覆盖测序数据。他们在籼稻亚种中鉴别出了两大主要的亚群indica I (IndI)和indica II (IndII),其对应独立育种工作生成的两个杂种优势类群。研究人员检测到了跨越7.8%水稻基因组,在IndI和IndII之间受到不同选择的200个区域,将它们称之为育种标签。这些区域包括GWAS研究揭示的、与重要农艺性状相关的许多已知功能基因及基因位点。


粮食产量与品种中育种标签的数量呈正比,表明了一个品系中的育种标签数量或许可用于预测水稻的农艺潜力,选出的基因位点或可为科学家们提供一些水稻改良的靶点。


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