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(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)研究的進步密不可分。基于遺傳學(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(zhǔn)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(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(yuǎn)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(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(zhǔn)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(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，在減少氮肥的情況下實現(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(zhǔn)設(shè)計與創(chuàng)造專項聚焦水稻、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)計型新品種，引領(lǐng)育種技術(shù)從分子育種到精準(zhǔn)設(shè)計育種的跨越。李家洋院士團隊基于精準(zhǔn)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(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(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，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?xì)胞》等學(xué)術(shù)期刊多次發(fā)表專題評述認(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(biāo)瞄準(zhǔn)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