《瞭望》專(zhuān)訪(fǎng)種康院士：究竟什么是“生物育種”？

　　中國科學(xué)院院士種康

　　?我國在水稻分子模塊設計育種技術(shù)方面優(yōu)勢明顯，引領(lǐng)了國際育種發(fā)展方向

　　?通過(guò)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(chǎn)量不受影響，這樣既可以解決現有生產(chǎn)區域水稻穩產(chǎn)問(wèn)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(wèn)題提供保障

　　?目前我國僅有619個(gè)飼草新品種通過(guò)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(lài)進(jìn)口。飼草的種質(zhì)設計與創(chuàng )造是國家的重大戰略需求

　　?我們團隊借助水稻基礎生物學(xué)與育種研究的經(jīng)驗，著(zhù)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(shù)體系，推動(dòng)飼草育種盡快步入設計育種時(shí)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(shí)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(shuō)是農業(yè)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(chǎn)量穩定在1.3萬(wàn)億斤以上，需要大力推進(jìn)種源等農業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。

　　先進(jìn)的生物育種技術(shù)是支撐和推動(dòng)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(zhù)進(jìn)展，尤其在水稻分子模塊設計育種技術(shù)方面優(yōu)勢明顯，引領(lǐng)了國際育種發(fā)展方向。

　　同時(shí)也應看到，我國種業(yè)發(fā)展基礎仍不牢固。“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)的成果轉化，制定有利于生物育種等先進(jìn)技術(shù)的配套法規，有序推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化應用，實(shí)現種業(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告訴《瞭望》新聞周刊記者。

　　種康和他的團隊通過(guò)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(wèn)題提供保障。

　　近日，圍繞我國生物育種發(fā)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(wèn)題，種康接受了本刊記者專(zhuān)訪(fǎng)。
 

　　生物育種推動(dòng)現代種業(yè)跨越式發(fā)展
 

　　《瞭望》：為什么說(shuō)智能分子設計育種是育種的未來(lái)方向？

　　種康：生物育種是利用遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、現代生物工程技術(shù)等方法原理培育生物新品種的過(guò)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)。智能分子設計育種（4.0版）是育種的未來(lái)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)、計算生物學(xué)和系統生物學(xué)的理論和技術(shù)發(fā)展，科研人員發(fā)展了農家品種雜交育種、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(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50年代，科學(xué)家在小麥中發(fā)現了半矮稈基因，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(kāi)始，育種專(zhuān)家利用雜交子一代在環(huán)境適應性、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用。袁隆平的超級雜交稻和李振聲院士團隊通過(guò)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，雜交育種對農藝性狀的選擇主要依賴(lài)于育種專(zhuān)家經(jīng)驗，通過(guò)大規模的田間形態(tài)學(xué)篩選，工作量大、效率低、周期長(cháng)，一般培育一個(gè)新品種需要10年以上。上世紀末，DNA分子標記技術(shù)與轉基因技術(shù)的發(fā)展與成熟，促進(jìn)了以分子標記輔助育種和轉基因生物技術(shù)育種為代表的分子育種（3.0版）的到來(lái)。

　　當前，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(guò)渡階段。在生物育種技術(shù)方面，我國仍處于追趕狀態(tài)。

　　《瞭望》：在水稻生物育種技術(shù)領(lǐng)域，我國處于全球什么位置？

　　種康：生物育種是農業(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。

　　由于多數農藝（經(jīng)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(xué)、計算生物學(xué)、系統生物學(xué)、合成生物學(xué)等手段，解析高產(chǎn)、穩產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等重要農藝（經(jīng)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(guò)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計育種的理念和技術(shù)，經(jīng)過(guò)精準設計，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(shí)現了增產(chǎn)。

　　瞄準未來(lái)，中國科學(xué)院設立了種子精準設計與創(chuàng )造戰略性先導科技專(zhuān)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(diǎn)。

　　種子精準設計與創(chuàng )造專(zhuān)項聚焦水稻、小麥和魚(yú)，通過(guò)理論精準控制、技術(shù)精準設計和產(chǎn)品精準創(chuàng )造，創(chuàng )制增產(chǎn)提質(zhì)、減投提效、減損促穩設計型新品種，引領(lǐng)育種技術(shù)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(chuàng )造新作物的理念，對原始野生稻的基因進(jìn)行精準改造，成功創(chuàng )制了落粒性降低、芒長(cháng)變短、株高降低、粒長(cháng)變長(cháng)、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(guò)程從數千年縮短到十余年，為將來(lái)培育水稻新作物提供了技術(shù)路線(xiàn)。

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

　　培育耐寒水稻
 

　　《瞭望》：你開(kāi)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？

　　種康：我主要開(kāi)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(cháng)江中下游地區。東北地區是我國優(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(diǎn)之一是通過(guò)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(chǎn)量不受影響，這樣既可以解決現有生產(chǎn)區域水稻穩產(chǎn)問(wèn)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(wèn)題提供保障。

　　我們研究發(fā)現水稻耐低溫關(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?！都毎返葘W(xué)術(shù)期刊多次發(fā)表專(zhuān)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(lái)的糧食匱乏提供新的出路，也可能會(huì )為穩定主糧生產(chǎn)、養育全球人口作出貢獻。

　　我們與錢(qián)前院士合作，基于分子模塊設計技術(shù)路線(xiàn)，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(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(guò)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(shù)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(chǎn)優(yōu)質(zhì)模塊耦合機制。同時(shí)與育種專(zhuān)家合作，攻克多模塊耦合優(yōu)質(zhì)品種分子設計育種技術(shù)路線(xiàn)，建立高效育種體系。
 

　　推動(dòng)飼草育種盡快步入設計育種時(shí)代
 

　　《瞭望》：你為什么把下一個(gè)目標瞄準飼草育種？

　　種康：近年來(lái)人們生活水平持續提高，膳食結構中肉蛋奶等蛋白類(lèi)食品比例不斷增加。根據有關(guān)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(lèi)食物需求量逐漸增加，蛋白類(lèi)食物來(lái)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、羊存欄數達到7.5億個(gè)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(wèn)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)現代化進(jìn)程。

　　目前我國僅有619個(gè)飼草新品種通過(guò)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(lài)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(cháng)，一般選育一個(gè)飼草品種需要12～15年。飼草的基礎生物學(xué)問(wèn)題尚缺乏系統研究，也制約了產(chǎn)量、耐逆和品質(zhì)等重要農藝性狀關(guān)鍵基因的挖掘、解析和利用。

　　近年來(lái)的中央一號文件多次強調加快發(fā)展草牧業(yè)。飼草的種質(zhì)設計與創(chuàng )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(xué)與育種研究的經(jīng)驗，著(zhù)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(shù)體系，推動(dòng)飼草育種盡快步入設計育種時(shí)代，實(shí)現飼草優(yōu)異種質(zhì)的設計與創(chuàng )造。

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

　　種康：希望國家能夠實(shí)施更多的飼草生物育種科技創(chuàng )新研究項目。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計等科技專(zhuān)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(zhì)，全面解析飼草的基礎生物學(xué)特性，建立飼草基因組解析、全基因組掃描和分子設計育種的技術(shù)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(fā)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(wǎng)絡(luò )，發(fā)掘可用于設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方面，應該借重組國家重點(diǎn)實(shí)驗室體系的契機，建成飼草種質(zhì)設計的國家戰略科技力量。