蓖麻內(nèi)果皮 圖片來(lái)源：崔鵬課題組
金秋9月，正是蓖麻結(jié)籽的時(shí)候。伴隨著清脆的響聲，蓖麻籽沖破厚重的果實(shí)外殼，縱身一躍，奮力跳到更遠(yuǎn)的地方，以獲取更大的生存空間。
種植戶并不喜歡“運(yùn)動(dòng)細(xì)胞”發(fā)達(dá)的蓖麻，這大大增加了后續(xù)收獲蓖麻籽的難度。
“蓖麻植株中，像這樣不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的性狀有很多，人工篩選的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要，基因組重測(cè)序?yàn)榭蒲腥藛T提供了一個(gè)改良性狀的新思路?！敝袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員崔鵬告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
日前，崔鵬課題組與湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授呂世友等合作的一項(xiàng)研究取得新進(jìn)展。研究人員通過(guò)對(duì)405份蓖麻品種進(jìn)行全基因組重測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了與蓖麻重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的候選基因，以及蓖麻馴化和地理分化過(guò)程中的一些選擇位點(diǎn)，該研究有望為蓖麻育種提供新思路。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《自然—通訊》上。
需求：70%的蓖麻油依靠進(jìn)口
“山渠面面護(hù)蓖麻，鎖盡春風(fēng)一院花?！北吐楣v長(zhǎng)滿尖刺，有毒，不是個(gè)“善茬兒”，但卻有一定藥用價(jià)值，中醫(yī)典籍曾有記載，蓖麻能夠通便、消腫拔毒、治療跌打損傷等。中國(guó)曾是蓖麻種植大國(guó)，家家戶戶都要種一些蓖麻。
但受多重因素影響，近年來(lái)我國(guó)蓖麻的種植面積大幅度減少。目前，中國(guó)蓖麻種植面積約300萬(wàn)畝，不足全球兩成。
隨著工業(yè)發(fā)展，全球?qū)Ρ吐榈男枨蟛粩嗌蠞q。蓖麻油因其特殊的理化性質(zhì)，成為重要的工業(yè)用油之選。蓖麻油經(jīng)過(guò)裂解、氧化、硫化等處理后，可以用于醫(yī)藥分散劑、油漆涂料、工業(yè)航空潤(rùn)滑油、化妝品等。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，利用蓖麻油的化工用品已達(dá)300多種。僅從尼龍這類高強(qiáng)度絕緣材料的廣泛應(yīng)用趨勢(shì)判斷，2010年全球?qū)Ρ吐橛偷男枨罅烤鸵呀?jīng)達(dá)到60萬(wàn)噸。
事實(shí)上，全球蓖麻種植面積少且產(chǎn)量偏低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場(chǎng)的需求。我國(guó)也不例外，近十年來(lái)，我國(guó)多數(shù)蓖麻加工企業(yè)不能進(jìn)行全年生產(chǎn)，只能從印度等國(guó)家進(jìn)口大量蓖麻籽和蓖麻油作原料。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)蓖麻年均總產(chǎn)不足20萬(wàn)噸，而年需求量卻達(dá)到40萬(wàn)噸，缺口達(dá)一半以上。其中，一級(jí)蓖麻油需求量為10萬(wàn)噸，國(guó)內(nèi)產(chǎn)量只有3萬(wàn)噸，缺口將近七成。
“蓖麻傳統(tǒng)育種存在瓶頸，進(jìn)一步選育優(yōu)良高產(chǎn)品種十分關(guān)鍵?！贝搦i說(shuō)。
基因組：為育種提供新思路
目前，我國(guó)蓖麻種植中，80%左右采用常規(guī)種，產(chǎn)量和含油量均遠(yuǎn)低于雜交品種。山東淄博農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)譚德云介紹，常規(guī)品種平均畝產(chǎn)量只有58公斤左右，而在新疆、內(nèi)蒙古，以及東北地區(qū)種植的雜交品種產(chǎn)量達(dá)到300公斤每畝。
盡管如此，呂世友說(shuō)：“目前，世界上依然沒(méi)有蓖麻的優(yōu)勢(shì)品種，雜交品種產(chǎn)量還不夠高?！?/p>
作為一種重要能源、工業(yè)油料植物，崔鵬也不滿足于目前品種的雜交優(yōu)勢(shì)。他想，從基因組角度出發(fā)，或許能揭開(kāi)高產(chǎn)蓖麻的秘密，從而選育出適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的蓖麻品種，突破雜交蓖麻的產(chǎn)量瓶頸。
他介紹，全基因組重測(cè)序是研究作物農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的有效手段。目前，基因組重測(cè)序技術(shù)成本有所降低，基于全基因組重測(cè)序的分析方法逐漸完善，研究人員已對(duì)多種作物進(jìn)行了基于全基因組重測(cè)序的馴化位點(diǎn)、農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)基因位點(diǎn)的研究?！爸T如水稻、小麥、棉花等農(nóng)作物，在進(jìn)行基因組測(cè)序后，又進(jìn)行了全基因組重測(cè)序，為選育優(yōu)質(zhì)品種提供了新思路。”
全基因組重測(cè)序的前提是具有盡可能多的性狀植株。為此，崔鵬聯(lián)合呂世友及中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所，耗時(shí)兩年多，在全球各地收集了405種蓖麻。
這只是研究的第一步，此后的基因測(cè)序工作量極大。為此，研究人員選擇了9個(gè)重要農(nóng)藝性狀。研究中利用變異數(shù)據(jù)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS），發(fā)現(xiàn)了這9個(gè)重要農(nóng)藝性狀的候選基因。
通過(guò)群體遺傳研究，研究人員發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)蓖麻品種分布具有區(qū)域性特點(diǎn)。崔鵬舉例，從中國(guó)南部到北部，蓖麻表現(xiàn)出果穗從容易裂開(kāi)到不容易裂開(kāi)、穗高由高至低等顯著趨勢(shì)。
研究人員還利用蓖麻的區(qū)域性特點(diǎn)，找到了基因組區(qū)域與蓖麻地理分布相關(guān)的受選擇區(qū)域，將這些受選擇區(qū)域與GWAS結(jié)果相結(jié)合后，找到了受選擇性狀在基因組上的具體受選擇位點(diǎn)。
“研究中發(fā)現(xiàn)，北方比南方果莢更不容易開(kāi)裂。歷史上，由于蓖麻在我國(guó)的栽培可能是自南向北傳播的，果莢開(kāi)裂相關(guān)基因在這一過(guò)程中受到了較強(qiáng)選擇?！贝搦i說(shuō)。
應(yīng)用：新品種上市仍需時(shí)間
基因變異促進(jìn)了物種多樣性，也增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難度。找到控制蓖麻性狀的基因，并不能直接選育出高產(chǎn)、高出油量的蓖麻品種。
呂世友介紹，目前這9個(gè)重要農(nóng)藝性狀的候選基因的功能還不能確定，接下來(lái)還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。“驗(yàn)證每個(gè)基因的功能，工作量巨大，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。但我們相信，利用基因編輯技術(shù)有望發(fā)現(xiàn)更適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的蓖麻品種?！?/p>
目前，崔鵬課題組與呂世友課題組已經(jīng)展開(kāi)了相關(guān)驗(yàn)證工作，并取得了一些突破。
與此同時(shí)，在基層從事多年育種和種植工作的譚德云提出，產(chǎn)量只是研發(fā)新品種過(guò)程中要解決的眾多問(wèn)題之一。諸如蓖麻植株的環(huán)境適應(yīng)性，包括抗病、抗蟲(chóng)、環(huán)境耐性等問(wèn)題也需要進(jìn)一步研究，希望能從基因角度為蓖麻育種找到答案。
除了品種本身的局限，他認(rèn)為，蓖麻還面臨栽培技術(shù)落實(shí)不到位等問(wèn)題，致使高產(chǎn)基因不能充分表達(dá)、產(chǎn)量不高，未來(lái)希望基因技術(shù)能夠幫助高產(chǎn)性狀充分表達(dá)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-019-11228-3
