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瞭望 | 生物育种是打好种业翻身仗的重要武器——专访中国科学院院士种康

文章来源:        点击数: 次      发布时间:2022-01-29

星空无限传媒视频母女:瞭望 | 生物育种是打好种业翻身仗的重要武器——专访中国科学院院士种康

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中国科学院院士种康

我国在水稻分子模块设计育种技术方面优势明显,引领了国际育种发展方向

通过分子设计的方式改良水稻品种,使其遇到低温也一样能够存活,保持产量不受影响,这样既可以解决现有生产区域水稻稳产问题,又有可能在高纬度地区大面积种植水稻,为解决我国粮食安全问题提供保障

目前我国仅有619个饲草新品种通过审定,其中引进品种和引进改良品种占三分之二,“饲草之王”紫花苜蓿用种量的80%以上依赖进口。饲草的种质设计与创造是国家的重大战略需求

我们团队借助水稻基础生物学与育种研究的经验,着力建设饲草复杂基因组功能解析、饲草分子设计育种的理论与技术体系,推动饲草育种尽快步入设计育种时代

文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺

粮食安全是国家安全的重要基础。中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手中,中国粮主要靠中国种,种子可以说是农业的“芯片”。

我国人均耕地面积不足世界平均水平的40%。在耕地有限情况下,要确保2022年粮食产量稳定在1.3万亿斤以上,需要大力推进种源等农业关键核心技术攻关。

先进的生物育种技术是支撑和推动我国种业发展的基石。

近些年,我国在生物育种技术领域取得了显著进展,尤其在水稻分子模块设计育种技术方面优势明显,引领了国际育种发展方向。

同时也应看到,我国种业发展基础仍不牢固。“目前生物育种技术的产业化推进缓慢,亟须推动先进育种技术的成果转化,制定有利于生物育种等先进技术的配套法规,有序推进生物育种产业化应用,实现种业科技自立自强、种源自主可控。”中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员种康告诉《瞭望》新闻周刊记者。

种康和他的团队通过分子设计的方式培育耐寒水稻品种,为解决我国乃至全球粮食安全问题提供保障。

近日,围绕我国生物育种发展现状以及如何围绕国家重大战略需求布局生物育种重大项目等问题,种康接受了本刊记者专访。

生物育种推动现代种业跨越式发展

《瞭望》:为什么说智能分子设计育种是育种的未来方向?

种康:生物育种是利用遗传学、分子生物学、现代生物工程技术等方法原理培育生物新品种的过程。广义上讲,生物育种技术发展经历三个主要时期:原始驯化选育(1.0版)、杂交育种(2.0版)、分子育种(3.0版)。智能分子设计育种(4.0版)是育种的未来方向。

20世纪至今,生物育种技术的发展历程与生命科学基础研究的进步密不可分。基于遗传学、分子生物学、基因组学、计算生物学和系统生物学的理论和技术发展,科研人员发展了农家品种杂交育种、半矮秆新品种培育、高产杂种优势育种、分子模块和分子精准设计育种等技术。

这期间作物育种里程碑式事件有很多。例如,诞生了最早的杂交种——1904年加拿大科学家培育的生产用春小麦杂交品种“马奎斯”;第一个商业杂交种玉米双交种在1943年获得极大成功,带动了商业制种产业发展;上世纪50年代,科学家在小麦中发现了半矮秆基因,引发了“第一次绿色革命”,培育出了耐肥、抗倒伏与高产的半矮秆小麦、水稻等作物新品种;上世纪70年代开始,育种专家利用杂交子一代在环境适应性、产量、抗性等方面均优于双亲的杂种优势生物学现象,培育了大量杂交水稻、杂交玉米组合产品,目前杂种优势已在水稻、玉米等多种作物育种中得到广泛应用。袁隆平的超级杂交稻和李振声院士团队通过远缘杂交获得的小偃系列小麦品种就是杂种优势育种的典范,为中国和世界的作物增产与粮食安全作出了重大贡献。

然而,杂交育种对农艺性状的选择主要依赖于育种专家经验,通过大规模的田间形态学筛。ぷ髁看、效率低、周期长,一般培育一个新品种需要10年以上。上世纪末,DNA分子标记技术与转基因技术的发展与成熟,促进了以分子标记辅助育种和转基因生物技术育种为代表的分子育种(3.0版)的到来。

当前,国际一流种业公司育种技术正由分子育种(3.0版)进入智能分子设计育种(4.0版),而我国仍处于表型选择(2.0版)到分子育种(3.0版)的过渡阶段。在生物育种技术方面,我国仍处于追赶状态。

《瞭望》:在水稻生物育种技术领域,我国处于全球什么位置?

种康:生物育种是农业核心技术之一。虽然我国在该领域处于追赶状态,但水稻生物育种技术走在了世界前列。目前,我国在水稻分子模块设计育种技术方面优势明显,引领了国际育种发展方向。

由于多数农艺(经济)性状受多基因调控,并具有“模块化”特性。因此可以综合运用基因组学、计算生物学、系统生物学、合成生物学等手段,解析高产、稳产、优质、高效等重要农艺(经济)性状的分子模块,揭示分子模块系统解析和耦合规律,从而通过多模块的组装培育出新品种。

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋院士团队培育的中科804等粳稻新品种,就是运用分子模块设计育种的理念和技术,经过精准设计,耦合了粒型、抗稻瘟病、优异稻米品质、抗倒伏等分子模块的标志性品种。中科院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东利用氮高效分子模块培育出的中禾优1号,在减少氮肥的情况下实现了增产。

瞄准未来,中国科学院设立了种子精准设计与创造战略性先导科技专项,力争在种业科技领域取得重大理论和关键技术突破,抢占种子创新科技的制高点。

种子精准设计与创造专项聚焦水稻、小麦和鱼,通过理论精准控制、技术精准设计和产品精准创造,创制增产提质、减投提效、减损促稳设计型新品种,引领育种技术从分子育种到精准设计育种的跨越。李家洋院士团队基于精准设计创造新作物的理念,对原始野生稻的基因进行精准改造,成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间缩短的水稻新材料,将野生稻的驯化过程从数千年缩短到十余年,为将来培育水稻新作物提供了技术路线。

先进的育种技术正在成为促进中国现代种业跨越式发展的重要支撑。

培育耐寒水稻

《瞭望》:你开展的分子育种研究,已经取得了哪些具有重要育种价值的研究成果?

种康:我主要开展与作物感知温度相关的研究工作。籼稻与粳稻是水稻的两个亚种,也是主要栽培稻品种,它的耐寒性机制与性状改良是我研究的主要目标。

温度是影响水稻品种栽培地域的主要限制因子,粳稻低温耐受性较强,在我国主要分布于黄河流域、东北、华北和长江中下游地区。东北地区是我国优质粳稻的主要产地。在东北稻米品种审定中,是否具备耐寒性是起到一票否决作用的农艺性状;籼稻低温耐受性较弱,在我国主要分布于华南热带和淮河以南的亚热带地区,但南方的倒春寒气候常现也要求籼稻以及超级杂交稻品种具有耐寒性。

我的研究重点之一是通过分子设计的方式改良水稻品种,使其遇到低温也一样能够存活,保持产量不受影响,这样既可以解决现有生产区域水稻稳产问题,又有可能在高纬度地区大面积种植水稻,为解决我国粮食安全问题提供保障。

我们研究发现水稻耐低温关键基因COLD1在籼、粳稻之间存在明显差异,COLD1中单个核苷酸变化能明显改变水稻的耐寒性。《细胞》等学术期刊多次发表专题评述认为COLD1的研究成果有可能为全球环境变化所带来的粮食匮乏提供新的出路,也可能会为稳定主粮生产、养育全球人口作出贡献。

我们与钱前院士合作,基于分子模块设计技术路线,将COLD1分子模块组装培育出了杂交稻品种嘉禾优7号,这个品种既有很好的耐寒性又有高产、优质、抗病等优异性状,已于2020年通过国家稻品种审定,成为可以在水稻种植区推广的新品种。

我们团队还将持续深入水稻生物育种基础理论研究与技术挖掘。目前正在系统挖掘水稻耐冷、耐盐等耐逆分子模块,并揭示其与高产优质模块耦合机制。同时与育种专家合作,攻克多模块耦合优质品种分子设计育种技术路线,建立高效育种体系。

推动饲草育种尽快步入设计育种时代

《瞭望》:你为什么把下一个目标瞄准饲草育种?

种康:近年来人们生活水平持续提高,膳食结构中肉蛋奶等蛋白类食品比例不断增加。根据有关数据统计,在我国的国民食品消费结构中,2013年粮食谷物的消费占比达到41.09%,到了2019年,粮食谷物的消费占比下降到了35.12%。人们对蛋白类食物需求量逐渐增加,蛋白类食物来自主要吃饲草的牛羊以及以大豆、玉米等饲料为主的猪、鸡以及水产品等。

我国养殖畜牧业对饲草需求量大,高质量牧草品种培育变得十分紧迫。2018年底,我国牛、羊存栏数达到7.5亿个羊单位,牛、羊为草食家畜代表,每年需要干草5亿吨,我国天然草地每年的干草产量约为3亿吨,每年缺口2亿吨以上。

优异饲草新品种缺乏是制约饲草产业发展的瓶颈问题。我国饲草育种产业起步晚,研究力量分散、薄弱,育种队伍群体。喙匮Э苹』聿蛔,生物育种技术相对落后,制约了我国饲草种业现代化进程。

目前我国仅有619个饲草新品种通过审定,其中引进品种和引进改良品种占三分之二,同期欧美国家的品种高达5000多个。此外,我国自主研制的饲草品种品质、生产性能和耐逆性也难以超越引进品种,使得我国商业化生产饲草的种源以进口为主,比如“饲草之王”紫花苜蓿用种量的80%以上依赖进口。

从世界范围看,饲草育种水平明显落后于主粮作物,饲草育种技术尚处在基于表型的杂交育种阶段,效率低、周期长,一般选育一个饲草品种需要12~15年。饲草的基础生物学问题尚缺乏系统研究,也制约了产量、耐逆和品质等重要农艺性状关键基因的挖掘、解析和利用。

近年来的中央一号文件多次强调加快发展草牧业。饲草的种质设计与创造是国家的重大战略需求。我们团队根据国家需要调整研究方向,借助水稻基础生物学与育种研究的经验,着力建设饲草复杂基因组功能解析、饲草分子设计育种的理论与技术体系,推动饲草育种尽快步入设计育种时代,实现饲草优异种质的设计与创造。

《瞭望》:你建议国家优先启动的生物育种重大科技项目有哪些?

种康:希望国家能够实施更多的饲草生物育种科技创新研究项目。尽快启动饲草优异种质资源挖掘、解析和利用,作物逆境分子模块挖掘与品种设计等科技专项。

具体研究方向包括构建苜蓿、羊草等重要饲草的核心种质,全面解析饲草的基础生物学特性,建立饲草基因组解析、全基因组扫描和分子设计育种的技术体系,获得可用于分子设计的分子模块。

饲草供给能力的提升不能与口粮争地,因此需要考虑利用盐碱地等非耕地资源,以及光伏发电板下的土地资源,这就需要系统解析饲草的耐逆机制和分子网络,发掘可用于设计耐逆饲草的分子模块。

在饲草种质创新和品种培育平台建设方面,应该借重组国家重点实验室体系的契机,建成饲草种质设计的国家战略科技力量。

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