種康院士：生物育種是打好種業(yè)翻身仗的重要武器

     我國人均耕地面積不足世界平均水平的40%。在耕地有限情況下，要確保2022年糧食產(chǎn)量穩(wěn)定在1.3萬億斤以上，需要大力推進種源等農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。

     進的生物育種技術(shù)是支撐和推動我國種業(yè)發(fā)展的基石。

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

     同時也應(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)化推進緩慢，亟須推動先進育種技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，制定有利于生物育種等先進技術(shù)的配套法規(guī)，有序推進生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、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

 

     種康和他的團隊通過分子設(shè)計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。

 

 

 

                   

 

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)歷三個主要時期：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)計育種（4.0版）是育種的未來方向。

 

20世紀至今，生物育種技術(shù)的發(fā)展歷程與生命科學(xué)基礎(chǔ)研究的進步密不可分?；谶z傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)、計算生物學(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)勢育種、分子模塊和分子精準設(shè)計育種等技術(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”；第一個商業(yè)雜交種玉米雙交種在1943年獲得極大成功，帶動了商業(yè)制種產(chǎn)業(yè)發(fā)展；上世紀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。袁隆平的超級雜交稻和李振聲院士團隊通過遠緣雜交獲得的小偃系列小麥品種就是雜種優(yōu)勢育種的典范，為中國和世界的作物增產(chǎn)與糧食安全作出了重大貢獻。

 

然而，雜交育種對農(nóng)藝性狀的選擇主要依賴于育種專家經(jīng)驗，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，一般培育一個新品種需要10年以上。上世紀末，DNA分子標記技術(shù)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展與成熟，促進了以分子標記輔助育種和轉(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）進入智能分子設(shè)計育種（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)。

 

 

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)計育種技術(shù)方面優(yōu)勢明顯，引領(lǐng)了國際育種發(fā)展方向。

 

由于多數(shù)農(nóng)藝（經(jīng)濟）性狀受多基因調(diào)控，并具有“模塊化”特性。因此可以綜合運用基因組學(xué)、計算生物學(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）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隊培育的中科804等粳稻新品種，就是運用分子模塊設(shè)計育種的理念和技術(shù)，經(jīng)過精準設(shè)計，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，在減少氮肥的情況下實現(xiàn)了增產(chǎn)。

 

瞄準未來，中國科學(xué)院設(shè)立了種子精準設(shè)計與創(chuàng)造戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，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。

 

種子精準設(shè)計與創(chuàng)造專項聚焦水稻、小麥和魚，通過理論精準控制、技術(shù)精準設(shè)計和產(chǎn)品精準創(chuàng)造，創(chuàng)制增產(chǎn)提質(zhì)、減投提效、減損促穩(wěn)設(shè)計型新品種，引領(lǐng)育種技術(shù)從分子育種到精準設(shè)計育種的跨越。李家洋院士團隊基于精準設(shè)計創(chuàng)造新作物的理念，對原始野生稻的基因進行精準改造，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。

 

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

 

 

 

 

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亞種，也是主要栽培稻品種，它的耐寒性機制與性狀改良是我研究的主要目標。

 

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，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雜交稻品種具有耐寒性。

 

我的研究重點之一是通過分子設(shè)計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中單個核苷酸變化能明顯改變水稻的耐寒性?！都毎返葘W(xué)術(shù)期刊多次發(fā)表專題評述認為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，也可能會為穩(wěn)定主糧生產(chǎn)、養(yǎng)育全球人口作出貢獻。

 

我們與錢前院士合作，基于分子模塊設(shè)計技術(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，這個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。

 

我們團隊還將持續(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)模塊耦合機制。同時與育種專家合作，攻克多模塊耦合優(yōu)質(zhì)品種分子設(shè)計育種技術(shù)路線，建立高效育種體系。

推動飼草育種盡快步入設(shè)計育種時代

你為什么把下一個目標瞄準飼草育種？

 

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，在我國的國民食品消費結(jié)構(gòu)中，2013年糧食谷物的消費占比達到41.09%，到了2019年，糧食谷物的消費占比下降到了35.12%。人們對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)達到7.5億個羊單位，牛、羊為草食家畜代表，每年需要干草5億噸，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)相對落后，制約了我國飼草種業(yè)現(xiàn)代化進程。

 

目前我國僅有619個飼草新品種通過審定，其中引進品種和引進改良品種占三分之二，同期歐美國家的品種高達5000多個。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品種，使得我國商業(yè)化生產(chǎn)飼草的種源以進口為主，比如“飼草之王”紫花苜蓿用種量的80%以上依賴進口。

 

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。

 

近年來的中央一號文件多次強調(diào)加快發(fā)展草牧業(yè)。飼草的種質(zhì)設(shè)計與創(chuàng)造是國家的重大戰(zhàn)略需求。我們團隊根據(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，著力建設(shè)飼草復(fù)雜基因組功能解析、飼草分子設(shè)計育種的理論與技術(shù)體系，推動飼草育種盡快步入設(shè)計育種時代，實現(xiàn)飼草優(yōu)異種質(zhì)的設(shè)計與創(chuàng)造。

 

 

 

種康：希望國家能夠?qū)嵤└嗟娘暡萆镉N科技創(chuàng)新研究項目。盡快啟動飼草優(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)計等科技專項。

 

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)計育種的技術(shù)體系，獲得可用于分子設(shè)計的分子模塊。

 

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)解析飼草的耐逆機制和分子網(wǎng)絡(luò)，發(fā)掘可用于設(shè)計耐逆飼草的分子模塊。

 

在飼草種質(zhì)創(chuàng)新和品種培育平臺建設(shè)方面，應(yīng)該借重組國家重點實驗室體系的契機，建成飼草種質(zhì)設(shè)計的國家戰(zhàn)略科技力量。

來源：新華社