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        《瞭望》專訪種康院士:究竟什么是“生物育種”?

        2024-03-21 15:29:36  來源: 瞭望 2022年第3期   作者:扈永順
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          中國科學院院士種康

          ?我國在水稻分子模塊設計育種技術方面優勢明顯,引領了國際育種發展方向

          ?通過分子設計的方式改良水稻品種,使其遇到低溫也一樣能夠存活,保持產量不受影響,這樣既可以解決現有生產區域水稻穩產問題,又有可能在高緯度地區大面積種植水稻,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,“飼草之王”紫花苜蓿用種量的80%以上依賴進口。飼草的種質設計與創造是國家的重大戰略需求

          ?我們團隊借助水稻基礎生物學與育種研究的經驗,著力建設飼草復雜基因組功能解析、飼草分子設計育種的理論與技術體系,推動飼草育種盡快步入設計育種時代

          文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順

          糧食安全是國家安全的重要基礎。中國人的飯碗任何時候都要牢牢端在自己手中,中國糧主要靠中國種,種子可以說是農業的“芯片”。

          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年糧食產量穩定在1.3萬億斤以上,需要大力推進種源等農業關鍵核心技術攻關。

          先進的生物育種技術是支撐和推動我國種業發展的基石。

          近些年,我國在生物育種技術領域取得了顯著進展,尤其在水稻分子模塊設計育種技術方面優勢明顯,引領了國際育種發展方向。

          同時也應看到,我國種業發展基礎仍不牢固。“目前生物育種技術的產業化推進緩慢,亟須推動先進育種技術的成果轉化,制定有利于生物育種等先進技術的配套法規,有序推進生物育種產業化應用,實現種業科技自立自強、種源自主可控。”中國科學院院士、中國科學院植物研究所研究員種康告訴《瞭望》新聞周刊記者。

          種康和他的團隊通過分子設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。

          近日,圍繞我國生物育種發展現狀以及如何圍繞國家重大戰略需求布局生物育種重大項目等問題,種康接受了本刊記者專訪。
         

          生物育種推動現代種業跨越式發展
         

          《瞭望》:為什么說智能分子設計育種是育種的未來方向?

          種康:生物育種是利用遺傳學、分子生物學、現代生物工程技術等方法原理培育生物新品種的過程。廣義上講,生物育種技術發展經歷三個主要時期: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,生物育種技術的發展歷程與生命科學基礎研究的進步密不可分?;谶z傳學、分子生物學、基因組學、計算生物學和系統生物學的理論和技術發展,科研人員發展了農家品種雜交育種、半矮稈新品種培育、高產雜種優勢育種、分子模塊和分子精準設計育種等技術。

          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年加拿大科學家培育的生產用春小麥雜交品種“馬奎斯”;第一個商業雜交種玉米雙交種在1943年獲得極大成功,帶動了商業制種產業發展;上世紀50年代,科學家在小麥中發現了半矮稈基因,引發了“第一次綠色革命”,培育出了耐肥、抗倒伏與高產的半矮稈小麥、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境適應性、產量、抗性等方面均優于雙親的雜種優勢生物學現象,培育了大量雜交水稻、雜交玉米組合產品,目前雜種優勢已在水稻、玉米等多種作物育種中得到廣泛應用。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勢育種的典范,為中國和世界的作物增產與糧食安全作出了重大貢獻。

          然而,雜交育種對農藝性狀的選擇主要依賴于育種專家經驗,通過大規模的田間形態學篩選,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分子標記技術與轉基因技術的發展與成熟,促進了以分子標記輔助育種和轉基因生物技術育種為代表的分子育種(3.0版)的到來。

          當前,國際一流種業公司育種技術正由分子育種(3.0版)進入智能分子設計育種(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。在生物育種技術方面,我國仍處于追趕狀態。

          《瞭望》:在水稻生物育種技術領域,我國處于全球什么位置?

          種康:生物育種是農業核心技術之一。雖然我國在該領域處于追趕狀態,但水稻生物育種技術走在了世界前列。目前,我國在水稻分子模塊設計育種技術方面優勢明顯,引領了國際育種發展方向。

          由于多數農藝(經濟)性狀受多基因調控,并具有“模塊化”特性。因此可以綜合運用基因組學、計算生物學、系統生物學、合成生物學等手段,解析高產、穩產、優質、高效等重要農藝(經濟)性狀的分子模塊,揭示分子模塊系統解析和耦合規律,從而通過多模塊的組裝培育出新品種。

          中國科學院遺傳與發育生物學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計育種的理念和技術,經過精準設計,耦合了粒型、抗稻瘟病、優異稻米品質、抗倒伏等分子模塊的標志性品種。中科院遺傳與發育生物學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1號,在減少氮肥的情況下實現了增產。

          瞄準未來,中國科學院設立了種子精準設計與創造戰略性先導科技專項,力爭在種業科技領域取得重大理論和關鍵技術突破,搶占種子創新科技的制高點。

          種子精準設計與創造專項聚焦水稻、小麥和魚,通過理論精準控制、技術精準設計和產品精準創造,創制增產提質、減投提效、減損促穩設計型新品種,引領育種技術從分子育種到精準設計育種的跨越。李家洋院士團隊基于精準設計創造新作物的理念,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千年縮短到十余年,為將來培育水稻新作物提供了技術路線。

          先進的育種技術正在成為促進中國現代種業跨越式發展的重要支撐。
         

          培育耐寒水稻
         

          《瞭望》:你開展的分子育種研究,已經取得了哪些具有重要育種價值的研究成果?

          種康:我主要開展與作物感知溫度相關的研究工作。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。東北地區是我國優質粳稻的主要產地。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,但南方的倒春寒氣候?,F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,保持產量不受影響,這樣既可以解決現有生產區域水稻穩產問題,又有可能在高緯度地區大面積種植水稻,為解決我國糧食安全問題提供保障。

          我們研究發現水稻耐低溫關鍵基因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術期刊多次發表專題評述認為COLD1的研究成果有可能為全球環境變化所帶來的糧食匱乏提供新的出路,也可能會為穩定主糧生產、養育全球人口作出貢獻。

          我們與錢前院士合作,基于分子模塊設計技術路線,將COLD1分子模塊組裝培育出了雜交稻品種嘉禾優7號,這個品種既有很好的耐寒性又有高產、優質、抗病等優異性狀,已于2020年通過國家稻品種審定,成為可以在水稻種植區推廣的新品種。

          我們團隊還將持續深入水稻生物育種基礎理論研究與技術挖掘。目前正在系統挖掘水稻耐冷、耐鹽等耐逆分子模塊,并揭示其與高產優質模塊耦合機制。同時與育種專家合作,攻克多模塊耦合優質品種分子設計育種技術路線,建立高效育種體系。
         

          推動飼草育種盡快步入設計育種時代
         

          《瞭望》: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提高,膳食結構中肉蛋奶等蛋白類食品比例不斷增加。根據有關數據統計,在我國的國民食品消費結構中,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、雞以及水產品等。

          我國養殖畜牧業對飼草需求量大,高質量牧草品種培育變得十分緊迫。2018年底,我國牛、羊存欄數達到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量約為3億噸,每年缺口2億噸以上。

          優異飼草新品種缺乏是制約飼草產業發展的瓶頸問題。我國飼草育種產業起步晚,研究力量分散、薄弱,育種隊伍群體小,相關學科基礎積淀不足,生物育種技術相對落后,制約了我國飼草種業現代化進程。

          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、生產性能和耐逆性也難以超越引進品種,使得我國商業化生產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。飼草的基礎生物學問題尚缺乏系統研究,也制約了產量、耐逆和品質等重要農藝性狀關鍵基因的挖掘、解析和利用。

          近年來的中央一號文件多次強調加快發展草牧業。飼草的種質設計與創造是國家的重大戰略需求。我們團隊根據國家需要調整研究方向,借助水稻基礎生物學與育種研究的經驗,著力建設飼草復雜基因組功能解析、飼草分子設計育種的理論與技術體系,推動飼草育種盡快步入設計育種時代,實現飼草優異種質的設計與創造。

          《瞭望》:你建議國家優先啟動的生物育種重大科技項目有哪些?

          種康:希望國家能夠實施更多的飼草生物育種科技創新研究項目。盡快啟動飼草優異種質資源挖掘、解析和利用,作物逆境分子模塊挖掘與品種設計等科技專項。

          具體研究方向包括構建苜蓿、羊草等重要飼草的核心種質,全面解析飼草的基礎生物學特性,建立飼草基因組解析、全基因組掃描和分子設計育種的技術體系,獲得可用于分子設計的分子模塊。

          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,以及光伏發電板下的土地資源,這就需要系統解析飼草的耐逆機制和分子網絡,發掘可用于設計耐逆飼草的分子模塊。

          在飼草種質創新和品種培育平臺建設方面,應該借重組國家重點實驗室體系的契機,建成飼草種質設計的國家戰略科技力量。

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