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张田勘:通过基因和化石结合研究,探寻水稻的起源
华夏经纬网   2018-05-16 15:20:36   
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  作者:张田勘 科普专栏作家

  作为“绿色超级稻项目”的一部分,“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”(3K–RG)于2011年9月由中国农业科学院、国际水稻研究所(IRRI)和华大基因共同启动。2014年5月,3000份水稻基因组测序初始数据于“世界饥饿日”公开发布于美国国立生物技术信息中心(NCBI)、日本生物信息学数据库(DDBJ)、华大基因大数据期刊(GigaScience)、阿里云等数据库,全球共享。

  现在,3K-RG项目再获新进展。近日,国际顶级期刊《自然》(Nature)在线发表了绿色超级稻项目首席科学家、中国农业科学院作物科学研究所黎志康博士等人完成的最新成果,剖析了水稻核心种质的基因组遗传多样性,对水稻的起源、基因、分类和进化规律有了全新的更深入的认知。

  一个新的重大成果是重新夺回了中国对水稻命名的部分话语权,恢复了历史的真实。1928年,日本学者加藤茂范通过杂交等手段发现了籼稻和粳稻的区别。当时,加藤把籼稻称为“印度型”(Oryza sativa L. subsp. indica Kato),把日本栽培极广的粳稻称为“日本型”(Oryza sativa L. subsp. japonica Kato)。自此,籼稻和粳稻在国际上就一直沿用“indica”和“japonica”命名至今。

  然而,中国科学家对代表了全球水稻种质约95%多样性的核心种质的3010株水稻的基因组研究表明,这种命名并不符合实际情况,既是对籼、粳稻长久以来的误称,也不利于深入了解水稻的栽培历史和机理。

  中国研究人员把过去研究的水稻品种由传统的5个群体增加到9个,分别是东亚(中国)的籼稻、南亚的籼稻、东南亚的籼稻和现代籼稻品种等4个籼稻群体,东南亚的温带粳稻、热带粳稻、亚热带粳稻等3个粳稻群体,以及来自印度和孟加拉的Aus和香稻。

  根据研究结果,中国研究人员首次提出,水稻的籼、粳亚种是独立的和多地起源,要求恢复恢复使用籼(Oryza sativa subsp. xian)、粳(Oryza sativa subsp. geng)亚种的正确命名。所谓恢复是指,中国人早在2000多年前的汉代就已提出籼、粳稻的分类和命名。尽管这一正名受到加藤茂范等人过去命名的制约,但科研结果显然更能说服重视证据的《自然》编辑及文章审稿人。也因此,这一颠倒的历史终于得到学术(科学)界的正名,为未来的国际社会正名奠定了基础。

  中国研究人员对水稻起源研究的结果提出了一个重要的假说,即水稻的籼、粳亚种是独立的和多地起源。如同人类起源一直有着一地(非洲)起源和多地区起源的争论一样,水稻的起源也一直存在一地(中国)和多地区起源的争论。解决这种争论当然要靠科学研究的证据,而科学的证据主要在于实物(化石)和基因组两类证据缺一不可的共同证明。

  在实物证据上,水稻的中国起源说一直有新证据。最近,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的植物考古学家采用植硅体分析方法,在位于浙江省龙游县的荷花山遗址中找到了距今1万多年前野生稻存在以及逐渐被驯化的证据,从土壤剖面中提取的植硅体来自一些野生稻叶片和稻壳。其中,在稻叶的扇形植硅体上,可以清晰地看见一种变化的趋势:年代越近,它们的数量越多、尺寸越大、鱼鳞状纹饰越多。

  据此,研究人员再次认定,水稻的起源和驯化是在中国的长江中下游地区。水稻在中国推广种植后,很快传到东亚近邻国家。大约在3000多年前的殷周之交,中国水稻传至朝鲜、日本,南传越南。到了汉代,中国粳稻传到菲律宾。公元5世纪,水稻经伊朗传到西亚,然后经非洲传到欧洲、美洲以至全世界。

  不过,这只是由实物证据获得的假说,并无基因组的证据支持。现在,中国研究人员从基因组获得的证据则提出,无论是籼、粳稻亚种都是独立多地起源。研究人员对来自全球的3010株水稻的基因组测序后,一共检测到2900万个高质量单核苷酸多态性(SNP,主要指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性),240万个小片段插入缺失,首次发现亚洲栽培稻品种间中存在9万个微细结构变异(包括易位、缺失、倒位和重复),同时发现了1.2万个全长新基因和数千个不完整的新基因。

  研究人员再次挑选出453份测序深度较高的水稻样本分析核心基因家族和分散式基因家族,获得12770个(62.1%)核心基因家族和9050个(37.9%)分散式基因家族,从而得出籼、粳稻亚种都是独立多地起源的假说。

  显然,目前的基因组测序结论和实物(化石)结论有差异,因此需要未来对这两种证据进行整合,同时补充证据,才能得出更可靠和令人信服的结论。

  中国研究人员的水稻基因组测序结果,同时对提高和保证粮食安全起到了更为重要的加速作用。3010份品种的基因组测序完成为育种专家提供了一种选种和栽培优良稻种的可视地图,使其可以快速地选择适合不同地理环境的品种,如耐淹、耐旱、抗虫、抗倒伏等特性,不用再像以前一样靠经验、靠大量组合去试验新品种。

  水稻基因组检测结果也同样能纠正以前的一些片面认知,如认为核心基因对产量、性状、口味等很重要,而分散式基因不重要。但基因测序发现恰恰相反,核心基因不重要,分散式基因才重要,通过基因数据库就可以在短时间内确定哪些品种有什么特性。

  因此,从本质上看,基因组测序不仅能追溯水稻起源,更能纠正过去的错误认知,加速选种育种,满足人们对水稻品种的多样化需求。(张田勘)

 

来源:光明网

 

责任编辑:徐亚旻

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