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水稻育種進入分子時代

發布時間:2016-04-26 點擊次數:2106

  4月22日,農業部發布了《中國農業展望報告(2016—2025)》,報告指出,“十三五”期間以及未來10年,中國稻谷生產將進入高水平穩定發展期,并預測“能夠完全確保谷物基本自給、口糧絕對安全目標”。
  羊城晚報記者注意到,在“口糧絕對安全”有保障的表述下,報告同時提及,2016年中國稻米種子用量基本持平,展望期間,種子消費穩中略減。“培育創新品種,提升競爭力,是挖掘糧食生產新潛力的重要措施。”中國種子協會秘書長李立秋告訴羊城晚報記者,種子是國家糧食安全的“命門”,當前創新能力和持續發展能力不足依然是中國多數種子企業的最大短板,有關部門必須高度重視種業“小而散”的發展現狀。
  事實上,1996年農業部啟動“中國超級稻育種計劃”至今,20年間,水稻育種經歷了從傳統田間地頭的雜交育種到現代實驗室的分子育種的“精準革命”。如何提升水稻育種創新能力和可持續發展能力,牢牢掌控中國糧食的“命脈”,已然成為國家戰略層面的重要話題。
  A 育種 革命:
  超級芯片精準描繪“基因指紋”
  “我們的育種芯片已經升級到了3.0版,提高了基因的密度,有效擴大了功能基因的檢測范圍。”4月23日,中化集團下屬中國種子集團中國種子生命科學技術中心副主任、作物育種技術創新與集成國家重點實驗室主任周發松接受羊城晚報記者采訪時稱,隨著更高密度水稻基因芯片的成功研制,農作物育種正在發生從傳統的“經驗育種”向“精確育種”的革命性變革。
  他所說的芯片,是一張長8厘米、寬2.5厘米、厚度不到0.2厘米的薄薄芯片,這是全球首張水稻全基因組育種芯片,也是中國自主知識產權的首張育種超級芯片。
  2010年,周發松回國加盟中國種子集團有限公司,參與創建中國種子生命科學技術中心,擔任基因組育種部總監。同一年,他帶領團隊開始研發水稻全基因組育種芯片。“在傳統育種中,根據作物的田間表現觀察性狀是很有限的,育種家想要了解作物帶有哪些基因,要借助一定的生物檢測工具。在此之前,中國只能檢測少數基因,基因組水平上的檢測做不到。”周發松說。
  研發團隊在已破譯的將近4萬個水稻功能基因中,把每一個基因特定的指紋序列通過大數據分析選出來,設計成分子檢測探針。“固定到直徑為兩微米的微珠上,將6000多萬個微珠有序地排列到一個小小的玻璃片上的方格里,制成了我們的育種芯片”。
  在工作人員向記者展示的芯片中,可以看到兩排共24個玻璃小方塊整齊排列其上,每個小方塊的大小不到0.1平方厘米,這樣一塊芯片可以同時檢測24個樣品。
  據介紹,將待檢測的水稻品種的DNA抽取出來,與芯片上的探針進行反應,通過對信號的掃描和計算機分析,育種家們就能知道檢測品種里面帶有怎樣的基因組成。
  “就像抽血化驗,以前一次抽樣只能檢測一兩個指標,現在可以檢測成百上千個指標。”談到育種芯片的作用,該中心基因組育種部喻輝輝博士這樣比喻,通過高通量分子標記篩選技術,育種芯片可以對種質資源進行快速分析和篩選,“在實驗室就可以快速排除95%以上的非目標單株,避免了大量的田間篩選工作,這樣選育一個新品種,時間可以從過去的七八年縮短到三四年”。
  與此同時,周發松和他的團隊還著手建立了中國水稻品種基因指紋數據庫,幫助育種家迅速認出每一粒水稻的“前世今生”。
  “它的工作原理相當于給每個水稻品種做一張身份證,標示好各種指標參數,就可以通過計算機進行查詢。”周發松介紹稱,這樣的“身份證”將實現種子管理和作物育種由原有的描述性階段過渡到數字化研發階段,使育種家能夠共享種質材料和基因資源的同時,也能夠實現育種中間成果的商業化交易,從而有效地交流、整合育種資源,提高育種效率。
  綠色超級稻可預見的未來?
  B “量身”定做:
  目前,超級芯片已應用到國內最先進的綠色超級稻研發中。
  “我們在超級稻的基礎之上改良抗稻瘟病性,已經培育了十多個品系,開始進行試驗示范。”周發松透露,借助水稻全基因組育種芯片“精準制導”,其團隊通過雜交、回交等常規育種手段,歷時4年,將稻瘟病抗性基因匯集到骨干親本品種中,在提高抗性的同時盡量不帶入其他不好的基因,以保證原有骨干親本品種各種性狀不發生改變。
  據了解,這一技術體系除可針對稻瘟病抗性進行定向改良外,還可針對水稻抗病、抗蟲、粒型、香型、膠稠度和生育期等進行精準的定向改良。
  “未來隨著育種技術的進一步發展,根據各地光溫條件不同,‘量身定做’最合適的綠色品種也是可能實現的。”周發松表示,綠色超級稻育種的目標是少打農藥、少施化肥、節水抗旱、優質高產,育種新技術的發展將逐漸破解傳統育種技術中綠色性狀高效遺傳改良的難題。
  事實上,大數據時代帶來了豐富的基因數據和專業化分工變革,讓這一“量身定做”的夢想變得并非遙不可及。
  2005年,中國水稻研究所正式上線的“國家水稻數據中心”,2015年,中國農業科學院等聯合啟動“云之稻”項目,推動水稻基因組數據全球共享,同年,華大基因宣布與美國企業共建全球水稻非轉基因遺傳資源數據庫。
  “水稻功能基因數據庫不僅可以查詢基因的功能,也提供了眾多育種上有利基因的連鎖標記,以及等位基因在大品種中的分布,為分子輔助育種提供了參考。”中國水稻研究所副研究員鄂志國告訴羊城晚報記者,這些海量數據的應用,為進一步規模化挖掘與解析作物重要功能基因夯實了基礎,也有力地推動國內育種水平邁上了一個新臺階。
  與此同時,商業化育種技術體系也初步建立起來,分段式育種流水線把育種過程分成了多個環節,實現了專業化分工。
  C 分子 時代:
  廣東分子育種走在全國前列
  1996年,農業部立項開啟了“中國超級稻”育種計劃,并于2005年開始實施超級稻新品種選育與示范推廣項目。截至2015年,通過農業部認定并示范推廣的超級稻共118個品種。
  記者查詢國家水稻數據中心數據發現,118個超級稻品種中,由廣東選育出來的就達13種,位居全國前列;其中廣東省農業科學院水稻研究所選育的高達10種,僅次于選育了11個品種的中國水稻研究所。
  “從實用性角度來講,水稻分子育種與常規育種緊密結合方面,廣東走在全國前列。”廣東省農科院水稻研究所所長王豐告訴羊城晚報記者,隨著水稻功能基因組研究的不斷深入,大量控制水稻重要性狀的基因被標記定位和克隆,為水稻育種走進“分子時代”奠定了重要基礎。目前應用最多、最有成效的是分子標記輔助選擇技術,廣東省農業科學院水稻研究所很多水稻品種就是利用分子標記輔助選擇育種技術創制出來的,有些品種已開始在生產上大面積推廣應用。
  D 創新 難題:
  育種背后的國家戰略
  “現代水稻科學需要兼容并蓄。”中國科學院院士、國家水稻產業體系華南稻區崗位專家謝華安稱,中國作為水稻大國,超級稻不光追求絕對高產,更多的應該培育豐產性、抗性、優質性和適應性“四性”較高的水稻良種。
  在他看來,隨著人民生活水平的逐步提高,在保證一定豐產性的條件下,培育中高檔優質稻顯得尤為重要;同時,隨著我國經濟發展進入新常態,人口進入老齡化,農村青壯年勞動力越來越少,又對水稻育種提出了適于輕簡化栽培和機械化的更高要求。
  2011年,國務院發布《關于加快推進現代農作物種業發展的意見》,首次明確了農作物種業的地位,即種業是國家戰略性、基礎性的核心產業,是促進農業長期穩定發展、保障國家糧食安全的根本。
  今年的中央1號文件中,再次出現了“種業”的身影,同時明確要求“提升種業自主創新能力,保障國家種業安全”。在“十三五”規劃綱要中,亦明確要求“發展現代種業,開展良種重大科技攻關,實施新一輪品種更新換代行動計劃,建設國家級育制種基地,培育壯大育繁推一體化的種業龍頭企業”。
  種業毫不意外地被認為是迎來了“黃金發展期”,但隱憂依然明顯。
  在業內人士看來,全球前10大種業公司已有8家在中國設立分支機構,國際種業公司紛紛搶灘登陸中國市場,我國部分種子企業面臨市場份額被蠶食、自主品種被外國種子代替等外部壓力,與此同時,種子企業“小而散”的現狀也嚴重制約了育種的創新能力。
  中國種子協會秘書長李立秋告訴記者一組數據:“我國有4700多家種子企業,但有自主創新能力的只有100多家,而從大宗作物(玉米、水稻、棉花、小麥)來看,真正有創新能力的只有70多家,創新能力和可持續發展能力遠遠不足。”
  而在鄂志國看來,盡管大數據技術為分子育種提供了可能,但與國外的大型種業公司相比,我國的種業信息化還處于建設期。他認為,眾多的科研單位和中小公司仍主要依賴常規育種手段,僅有極少數大型公司和單位有能力進行大數據育種的研發。
  多位育種專家建議,國家應引導、扶植中小企業“抱團發展”,同時培育3到5家具有研發能力和市場營銷能力的重點龍頭企業,保持國家對種業的主導權和控制權。同時,進入國際市場,參與國際種業競爭。
  記者采訪獲悉,國務院已啟動實施現代種業提升工程,“十三五”期間,我國將加快現代種業發展和種業強國建設步伐,力爭到2020年,有兩三家企業邁進全球種業10強行列,國內10強、50強種業市場集中度分別達到30%和50%以上。
  相關人士透露,農業部、發改委等國家有關部委對此已有初步規劃,將加大國家財政對種業研發的支持力度。


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