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近些年,我國在生物育種技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展,,尤其在水稻分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯,,引領(lǐng)了國際育種發(fā)展方向。


同時(shí)也應(yīng)看到,,我國種業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)仍不牢固,。“目前生物育種技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)緩慢,,亟須推動(dòng)先進(jìn)育種技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化,,制定有利于生物育種等先進(jìn)技術(shù)的配套法規(guī),有序推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,,實(shí)現(xiàn)種業(yè)科技自立自強(qiáng),、種源自主可控。”中國科學(xué)院院士,、中國科學(xué)院植物研究所研究員種康表示,。


種康和他的團(tuán)隊(duì)通過分子設(shè)計(jì)的方式培育耐寒水稻品種,為解決我國乃至全球糧食安全問題提供保障,。


生物育種推動(dòng)現(xiàn)代種業(yè)跨越式發(fā)展


Q

為什么說智能分子設(shè)計(jì)育種是育種的未來方向,?,?
A

種康:生物育種是利用遺傳學(xué)、分子生物學(xué),、現(xiàn)代生物工程技術(shù)等方法原理培育生物新品種的過程,。廣義上講,,生物育種技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)主要時(shí)期:原始馴化選育(1.0版),、雜交育種(2.0版)、分子育種(3.0版),。智能分子設(shè)計(jì)育種(4.0版)是育種的未來方向,。


20世紀(jì)至今,生物育種技術(shù)的發(fā)展歷程與生命科學(xué)基礎(chǔ)研究的進(jìn)步密不可分,?;谶z傳學(xué)、分子生物學(xué),、基因組學(xué),、計(jì)算生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的理論和技術(shù)發(fā)展,科研人員發(fā)展了農(nóng)家品種雜交育種,、半矮稈新品種培育,、高產(chǎn)雜種優(yōu)勢(shì)育種、分子模塊和分子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種等技術(shù),。


這期間作物育種里程碑式事件有很多,。例如,誕生了最早的雜交種——1904年加拿大科學(xué)家培育的生產(chǎn)用春小麥雜交品種“馬奎斯”,;第一個(gè)商業(yè)雜交種玉米雙交種在1943年獲得極大成功,,帶動(dòng)了商業(yè)制種產(chǎn)業(yè)發(fā)展;上世紀(jì)50年代,,科學(xué)家在小麥中發(fā)現(xiàn)了半矮稈基因,,引發(fā)了“第一次綠色革命”,培育出了耐肥,、抗倒伏與高產(chǎn)的半矮稈小麥,、水稻等作物新品種;上世紀(jì)70年代開始,,育種專家利用雜交子一代在環(huán)境適應(yīng)性,、產(chǎn)量、抗性等方面均優(yōu)于雙親的雜種優(yōu)勢(shì)生物學(xué)現(xiàn)象,,培育了大量雜交水稻,、雜交玉米組合產(chǎn)品,目前雜種優(yōu)勢(shì)已在水稻,、玉米等多種作物育種中得到廣泛應(yīng)用,。袁隆平的超級(jí)雜交稻和李振聲院士團(tuán)隊(duì)通過遠(yuǎn)緣雜交獲得的小偃系列小麥品種就是雜種優(yōu)勢(shì)育種的典范,,為中國和世界的作物增產(chǎn)與糧食安全作出了重大貢獻(xiàn)。


然而,,雜交育種對(duì)農(nóng)藝性狀的選擇主要依賴于育種專家經(jīng)驗(yàn),,通過大規(guī)模的田間形態(tài)學(xué)篩選,工作量大,、效率低,、周期長,一般培育一個(gè)新品種需要10年以上,。上世紀(jì)末,,DNA分子標(biāo)記技術(shù)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展與成熟,促進(jìn)了以分子標(biāo)記輔助育種和轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)育種為代表的分子育種(3.0版)的到來,。


當(dāng)前,,國際一流種業(yè)公司育種技術(shù)正由分子育種(3.0版)進(jìn)入智能分子設(shè)計(jì)育種(4.0版),而我國仍處于表型選擇(2.0版)到分子育種(3.0版)的過渡階段,。在生物育種技術(shù)方面,,我國仍處于追趕狀態(tài)。


Q

在水稻生物育種技術(shù)領(lǐng)域,,我國處于全球什么位置,?

A

種康:生物育種是農(nóng)業(yè)核心技術(shù)之一。雖然我國在該領(lǐng)域處于追趕狀態(tài),,但水稻生物育種技術(shù)走在了世界前列,。目前,我國在水稻分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯,,引領(lǐng)了國際育種發(fā)展方向,。


由于多數(shù)農(nóng)藝(經(jīng)濟(jì))性狀受多基因調(diào)控,并具有“模塊化”特性,。因此可以綜合運(yùn)用基因組學(xué),、計(jì)算生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué),、合成生物學(xué)等手段,,解析高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn),、優(yōu)質(zhì),、高效等重要農(nóng)藝(經(jīng)濟(jì))性狀的分子模塊,揭示分子模塊系統(tǒng)解析和耦合規(guī)律,,從而通過多模塊的組裝培育出新品種,。


中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋院士團(tuán)隊(duì)培育的中科804等粳稻新品種,就是運(yùn)用分子模塊設(shè)計(jì)育種的理念和技術(shù),,經(jīng)過精準(zhǔn)設(shè)計(jì),,耦合了粒型,、抗稻瘟病、優(yōu)異稻米品質(zhì),、抗倒伏等分子模塊的標(biāo)志性品種,。中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員傅向東利用氮高效分子模塊培育出的中禾優(yōu)1號(hào),在減少氮肥的情況下實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn),。


瞄準(zhǔn)未來,,中國科學(xué)院設(shè)立了種子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)造戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng),力爭在種業(yè)科技領(lǐng)域取得重大理論和關(guān)鍵技術(shù)突破,,搶占種子創(chuàng)新科技的制高點(diǎn),。


種子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)造專項(xiàng)聚焦水稻,、小麥和魚,,通過理論精準(zhǔn)控制、技術(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品精準(zhǔn)創(chuàng)造,,創(chuàng)制增產(chǎn)提質(zhì),、減投提效、減損促穩(wěn)設(shè)計(jì)型新品種,,引領(lǐng)育種技術(shù)從分子育種到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種的跨越,。李家洋院士團(tuán)隊(duì)基于精準(zhǔn)設(shè)計(jì)創(chuàng)造新作物的理念,對(duì)原始野生稻的基因進(jìn)行精準(zhǔn)改造,,成功創(chuàng)制了落粒性降低,、芒長變短、株高降低,、粒長變長,、莖稈變粗、抽穗時(shí)間縮短的水稻新材料,,將野生稻的馴化過程從數(shù)千年縮短到十余年,,為將來培育水稻新作物提供了技術(shù)路線。


先進(jìn)的育種技術(shù)正在成為促進(jìn)中國現(xiàn)代種業(yè)跨越式發(fā)展的重要支撐,。



培育耐寒水稻


Q

您開展的分子育種研究,,已經(jīng)取得了哪些具有重要育種價(jià)值的研究成果?
A


種康:我主要開展與作物感知溫度相關(guān)的研究工作,。秈稻與粳稻是水稻的兩個(gè)亞種,,也是主要栽培稻品種,它的耐寒性機(jī)制與性狀改良是我研究的主要目標(biāo),。


溫度是影響水稻品種栽培地域的主要限制因子,,粳稻低溫耐受性較強(qiáng),,在我國主要分布于黃河流域,、東北,、華北和長江中下游地區(qū),。東北地區(qū)是我國優(yōu)質(zhì)粳稻的主要產(chǎn)地。在東北稻米品種審定中,,是否具備耐寒性是起到一票否決作用的農(nóng)藝性狀,;秈稻低溫耐受性較弱,在我國主要分布于華南熱帶和淮河以南的亞熱帶地區(qū),,但南方的倒春寒氣候?,F(xiàn)也要求秈稻以及超級(jí)雜交稻品種具有耐寒性。


我的研究重點(diǎn)之一是通過分子設(shè)計(jì)的方式改良水稻品種,,使其遇到低溫也一樣能夠存活,,保持產(chǎn)量不受影響,這樣既可以解決現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域水稻穩(wěn)產(chǎn)問題,,又有可能在高緯度地區(qū)大面積種植水稻,,為解決我國糧食安全問題提供保障。


我們研究發(fā)現(xiàn)水稻耐低溫關(guān)鍵基因COLD1在秈,、粳稻之間存在明顯差異,,COLD1中單個(gè)核苷酸變化能明顯改變水稻的耐寒性?!都?xì)胞》等學(xué)術(shù)期刊多次發(fā)表專題評(píng)述認(rèn)為COLD1的研究成果有可能為全球環(huán)境變化所帶來的糧食匱乏提供新的出路,,也可能會(huì)為穩(wěn)定主糧生產(chǎn)、養(yǎng)育全球人口作出貢獻(xiàn),。


我們與錢前院士合作,,基于分子模塊設(shè)計(jì)技術(shù)路線,將COLD1分子模塊組裝培育出了雜交稻品種嘉禾優(yōu)7號(hào),,這個(gè)品種既有很好的耐寒性又有高產(chǎn),、優(yōu)質(zhì)、抗病等優(yōu)異性狀,,已于2020年通過國家稻品種審定,,成為可以在水稻種植區(qū)推廣的新品種。


我們團(tuán)隊(duì)還將持續(xù)深入水稻生物育種基礎(chǔ)理論研究與技術(shù)挖掘,。目前正在系統(tǒng)挖掘水稻耐冷,、耐鹽等耐逆分子模塊,并揭示其與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)模塊耦合機(jī)制,。同時(shí)與育種專家合作,,攻克多模塊耦合優(yōu)質(zhì)品種分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)路線,建立高效育種體系,。


粳,、秈稻不同耐寒性調(diào)控途徑示意圖


推動(dòng)飼草育種盡快步入設(shè)計(jì)育種時(shí)代


Q

您為什么把下一個(gè)目標(biāo)瞄準(zhǔn)飼草育種?
A

種康:近年來人們生活水平持續(xù)提高,膳食結(jié)構(gòu)中肉蛋奶等蛋白類食品比例不斷增加,。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),,在我的國民食品消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,2013年糧食谷物的消費(fèi)占比達(dá)到41.09%,,到了2019年,,糧食谷物的消費(fèi)占比下降到了35.12%。人們對(duì)蛋白類食物需求量逐漸增加,,蛋白類食物來自主要吃飼草的牛羊以及以大豆,、玉米等飼料為主的豬、雞以及水產(chǎn)品等,。


我國養(yǎng)殖畜牧業(yè)對(duì)飼草需求量大,,高質(zhì)量牧草品種培育變得十分緊迫。2018年底,,我國牛,、羊存欄數(shù)達(dá)到7.5億個(gè)羊單位,牛,、羊?yàn)椴菔臣倚蟠?,每年需要干?億噸,我國天然草地每年的干草產(chǎn)量約為3億噸,,每年缺口2億噸以上。


優(yōu)異飼草新品種缺乏是制約飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題,。我國飼草育種產(chǎn)業(yè)起步晚,,研究力量分散、薄弱,,育種隊(duì)伍群體小,,相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)積淀不足,生物育種技術(shù)相對(duì)落后,,制約了我國飼草種業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程,。


目前我國僅有619個(gè)飼草新品種通過審定,其中引進(jìn)品種和引進(jìn)改良品種占三分之二,,同期歐美國家的品種高達(dá)5000多個(gè),。此外,我國自主研制的飼草品種品質(zhì),、生產(chǎn)性能和耐逆性也難以超越引進(jìn)品種,,使得我國商業(yè)化生產(chǎn)飼草的種源以進(jìn)口為主,比如“飼草之王”紫花苜蓿用種量的80%以上依賴進(jìn)口,。


從世界范圍看,,飼草育種水平明顯落后于主糧作物,飼草育種技術(shù)尚處在基于表型的雜交育種階段,,效率低,、周期長,,一般選育一個(gè)飼草品種需要12~15年。飼草的基礎(chǔ)生物學(xué)問題尚缺乏系統(tǒng)研究,,也制約了產(chǎn)量,、耐逆和品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀關(guān)鍵基因的挖掘、解析和利用,。


近年來的中央一號(hào)文件多次強(qiáng)調(diào)加快發(fā)展草牧業(yè),。飼草的種質(zhì)設(shè)計(jì)與創(chuàng)造是國家的重大戰(zhàn)略需求。我們團(tuán)隊(duì)根據(jù)國家需要調(diào)整研究方向,,借助水稻基礎(chǔ)生物學(xué)與育種研究的經(jīng)驗(yàn),,著力建設(shè)飼草復(fù)雜基因組功能解析、飼草分子設(shè)計(jì)育種的理論與技術(shù)體系,,推動(dòng)飼草育種盡快步入設(shè)計(jì)育種時(shí)代,,實(shí)現(xiàn)飼草優(yōu)異種質(zhì)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)造。


Q

您建議國家優(yōu)先啟動(dòng)的生物育種重大科技項(xiàng)目有哪些,?
A

種康:希望國家能夠?qū)嵤└嗟娘暡萆镉N科技創(chuàng)新研究項(xiàng)目,。盡快啟動(dòng)飼草優(yōu)異種質(zhì)資源挖掘、解析和利用,,作物逆境分子模塊挖掘與品種設(shè)計(jì)等科技專項(xiàng),。


具體研究方向包括構(gòu)建苜蓿、羊草等重要飼草的核心種質(zhì),,全面解析飼草的基礎(chǔ)生物學(xué)特性,,建立飼草基因組解析、全基因組掃描和分子設(shè)計(jì)育種的技術(shù)體系,,獲得可用于分子設(shè)計(jì)的分子模塊,。


飼草供給能力的提升不能與口糧爭地,因此需要考慮利用鹽堿地等非耕地資源,,以及光伏發(fā)電板下的土地資源,,這就需要系統(tǒng)解析飼草的耐逆機(jī)制和分子網(wǎng)絡(luò),發(fā)掘可用于設(shè)計(jì)耐逆飼草的分子模塊,。


在飼草種質(zhì)創(chuàng)新和品種培育平臺(tái)建設(shè)方面,,應(yīng)該借重組國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室體系的契機(jī),建成飼草種質(zhì)設(shè)計(jì)的國家戰(zhàn)略科技力量,。


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我國在水稻分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯,引領(lǐng)了國際育種發(fā)展方向,。通過分子設(shè)計(jì)的方式改良水稻品種,,使其遇到低溫也一樣能夠存活,保持產(chǎn)量不受影響,這樣既可以解決現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域水稻穩(wěn)產(chǎn)問題,,又有可能在高緯度地區(qū)大面積種植水稻,,為解決我國糧食安全問題提供保障。


目前我國僅有619個(gè)飼草新品種通過審定,,其中引進(jìn)品種和引進(jìn)改良品種占三分之二,,“飼草之王”紫花苜蓿用種量的80%以上依賴進(jìn)口。飼草的種質(zhì)設(shè)計(jì)與創(chuàng)造是國家的重大戰(zhàn)略需求,。


我們團(tuán)隊(duì)借助水稻基礎(chǔ)生物學(xué)與育種研究的經(jīng)驗(yàn),,著力建設(shè)飼草復(fù)雜基因組功能解析、飼草分子設(shè)計(jì)育種的理論與技術(shù)體系,,推動(dòng)飼草育種盡快步入設(shè)計(jì)育種時(shí)代——中國科學(xué)院院士種康,。



來源丨《瞭望》新聞周刊 記者 扈永順
編輯丨農(nóng)財(cái)君
聯(lián)系農(nóng)財(cái)君丨18565265490
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