科學(xué)育種 守住中國(guó)糧食安全底線
2020年我國(guó)糧食總產(chǎn)量比上年增加113億斤,實(shí)現(xiàn)“十七連豐”。據(jù)中國(guó)農(nóng)科院公布的數(shù)據(jù),在種植面積減少的情況下,我國(guó)糧食產(chǎn)量仍實(shí)現(xiàn)年年增產(chǎn),這一減一增背后是科技的力量,其中良種培育是至為關(guān)鍵的一環(huán)。本報(bào)將分門別類地介紹各種作物的育種情況,帶你了解它們背后的生物育種故事。
玉米是我國(guó)最重要的糧食作物之一,玉米的自給率可達(dá)95%以上。我國(guó)農(nóng)業(yè)主管部門主要負(fù)責(zé)人不止一次地表示,玉米基本自給是中國(guó)糧食安全的底線。“玉米之所以能做到糧倉(cāng)里裝中國(guó)糧、耕地里種中國(guó)種,依賴的是科技進(jìn)步與創(chuàng)新。”玉米育種專家、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱農(nóng)科所)研究員黎亮在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。
常規(guī)育種技術(shù)周期長(zhǎng)、優(yōu)良親本自交系選擇率低,很難在短時(shí)間內(nèi)選育出所需要的品種。近年來(lái),單倍體育種、分子標(biāo)記輔助育種、基因編輯育種等生物技術(shù)的應(yīng)用,提高了玉米育種的效率,開(kāi)辟了玉米育種的新途徑。
我國(guó)種植玉米九成是自育品種
“目前我國(guó)所有生態(tài)區(qū)的玉米品種推廣都面臨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng),主要的跨國(guó)公司都在我國(guó)開(kāi)展了品種選育或市場(chǎng)推廣。但我國(guó)玉米自育品種的種植面積仍達(dá)90%以上,實(shí)現(xiàn)這個(gè)比例是很不容易的,是國(guó)內(nèi)廣大育種者共同努力的結(jié)果。”黎亮說(shuō)。
多年前,我國(guó)玉米品種普遍存在單產(chǎn)水平低、耐密性差、抗病抗蟲(chóng)能力弱等缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了我國(guó)玉米的產(chǎn)能。同時(shí)我國(guó)玉米種質(zhì)資源相對(duì)匱乏,極大地限制了對(duì)高產(chǎn)耐密抗病蟲(chóng)能力強(qiáng)的玉米品種的選育。
為了解決這個(gè)“硬骨頭”,農(nóng)科所黃長(zhǎng)玲研究員團(tuán)隊(duì)廣泛搜集國(guó)內(nèi)外優(yōu)良玉米種質(zhì)資源,潛心鉆研,充分利用分子標(biāo)記技術(shù)輔助玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新,歷經(jīng)23年,先后育成耐密性好、產(chǎn)量高、適宜種植范圍廣的玉米新品種“中單808”和“中單909”。
黎亮介紹,“中單808”在西南地區(qū)推廣后,該地區(qū)玉米種植密度提升30%(每畝增加1000株),產(chǎn)量增幅高達(dá)39.3%,成為西南地區(qū)主導(dǎo)玉米品種。“中單909”在我國(guó)黃淮海玉米區(qū)試種期間,平均畝產(chǎn)比黃淮海主推品種“鄭單958”增產(chǎn)5.1%,在全國(guó)高產(chǎn)潛力研究實(shí)驗(yàn)中,更是創(chuàng)造出畝產(chǎn)1376公斤的高產(chǎn)紀(jì)錄。
繼“中單808”和“中單909”之后,農(nóng)科所玉米研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有止步。他們繼續(xù)朝著新的育種目標(biāo)尤其是當(dāng)前的高優(yōu)質(zhì)綠色目標(biāo)開(kāi)展研發(fā)攻關(guān),整合各項(xiàng)育種技術(shù),進(jìn)行材料創(chuàng)制和品種選育,并取得了可喜的進(jìn)展。
他們還構(gòu)建了以密植增穗增產(chǎn)、高質(zhì)量群體構(gòu)建、病蟲(chóng)害綠色防控、機(jī)械粒收與全程機(jī)械化作業(yè)、秸稈還田為主的玉米密植高產(chǎn)全程機(jī)械化綠色技術(shù)體系,2020年創(chuàng)畝產(chǎn)1663.25公斤新紀(jì)錄,再次刷新我國(guó)玉米高產(chǎn)紀(jì)錄。
此外,“十三五”期間,農(nóng)科所團(tuán)隊(duì)還育成了“中單123”“中單685”“中玉303”“中單111”等10個(gè)高產(chǎn)抗逆宜機(jī)收新品種,為提高我國(guó)玉米產(chǎn)量作出了貢獻(xiàn)。
讓育種者告別“無(wú)米之炊”
俗話說(shuō)“巧婦難為無(wú)米之炊”,生物育種的第一步就是需要有育種材料,并且需要知道這些材料里是否含有符合品種需求的優(yōu)良基因。“由于我國(guó)并非玉米的起源地,玉米種質(zhì)資源無(wú)論豐富程度還是水平高低,都與一些國(guó)家存在一定差距。”黎亮說(shuō)。
黎亮介紹,農(nóng)科所建立了我國(guó)玉米種質(zhì)資源的安全保護(hù)體系,安全保存了3萬(wàn)余份種質(zhì)資源。并且牽頭完成了對(duì)主產(chǎn)區(qū)2000份玉米種質(zhì)資源的關(guān)鍵性狀(如抗旱、抗病、氮利用效率、抗倒、籽粒脫水速率等)評(píng)價(jià),闡明了我國(guó)玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性特性,為種質(zhì)資源的高效利用打下了基礎(chǔ)。
生物育種離不開(kāi)基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究與突破,尤其是基因組學(xué)的發(fā)展以及關(guān)鍵基因的挖掘與鑒定。這些基礎(chǔ)研究能從根本上提高育種效率。
“在不清楚目標(biāo)性狀受哪些基因控制或調(diào)控之前,育種專家只能依賴于田間表現(xiàn)對(duì)品種進(jìn)行選擇或淘汰,而無(wú)法做到針對(duì)基因型的直接選擇。參考基因組的構(gòu)建大大加速了基因挖掘的速度。”黎亮說(shuō)。
為此,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)完成了玉米自交系Mo17的高質(zhì)量參考基因組;北京農(nóng)科院也構(gòu)建了中國(guó)玉米骨干自交系“黃早四”的高質(zhì)量基因組圖譜;中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院公布了基于1218個(gè)玉米自交系的第三代多態(tài)性數(shù)據(jù)。
“在此基礎(chǔ)上,科學(xué)家們克隆了多個(gè)重要農(nóng)藝性狀的基因,比如克隆了玉米生育期、株型建成、耐密、抗病相關(guān)的基因并闡明了遺傳機(jī)制,揭示了現(xiàn)代玉米育種過(guò)程中基因組選擇與遺傳改良規(guī)律。這些研究成果大大推動(dòng)了分子標(biāo)記輔助育種向前發(fā)展。”黎亮說(shuō)。
構(gòu)建玉米育種的“高鐵技術(shù)”
“傳統(tǒng)玉米育種中,如果想把某個(gè)優(yōu)良的基因融合到某個(gè)自交系中,需要將攜帶這個(gè)基因的材料和這個(gè)自交系進(jìn)行雜交,然后通過(guò)不斷自交或者回交的方式獲得新的自交系。在不清楚哪個(gè)基因控制某種目標(biāo)性狀之前只能通過(guò)每個(gè)世代的田間表現(xiàn)進(jìn)行選擇,如果能清楚哪個(gè)基因控制某種目標(biāo)性狀,則可以利用分子標(biāo)記輔助選擇。”黎亮說(shuō),盡管如此,這種傳統(tǒng)模式仍然耗時(shí)費(fèi)力,周期很長(zhǎng)。
而單倍體育種技術(shù)的出現(xiàn)革命性地打破了這一傳統(tǒng)育種模式。近年來(lái),以生物誘導(dǎo)為基礎(chǔ)的玉米單倍體育種技術(shù),成為可與基因編輯技術(shù)、分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)相媲美的現(xiàn)代玉米育種三大核心技術(shù)之一。單倍體植株只含有一個(gè)染色體組,含有多個(gè)染色體組的是多倍體,包括玉米在內(nèi)的很多物種都是多倍體。單倍體育種,是利用組織培養(yǎng)技術(shù)在多倍體植株花粉期獲得單倍體,然后再對(duì)單倍體進(jìn)行染色體組加倍,從而形成純合自交系品種。
黎亮表示,工程育種技術(shù)為提高育種效率提供了保障,其中的單倍體育種技術(shù),最快可一年甚至7—8個(gè)月獲得純系,顯著提升了育種效率,被譽(yù)為玉米育種的“高鐵技術(shù)”。
記者獲悉,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江教授團(tuán)隊(duì)圍繞單倍體育種技術(shù)攻關(guān)20余年,在單倍體的高頻誘導(dǎo)、高效鑒別和高通量加倍3個(gè)核心技術(shù)環(huán)節(jié)均有了技術(shù)突破,從而使這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)玉米育種中得以推廣應(yīng)用。在單倍體的誘導(dǎo)機(jī)理方面,團(tuán)隊(duì)克隆了控制單倍體誘導(dǎo)的兩個(gè)基因,并實(shí)現(xiàn)了單倍體技術(shù)向小麥、擬南芥等其他物種的發(fā)展,使得我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
玉米基因編輯技術(shù)研究與國(guó)際同步
基因編輯等生物技術(shù)為改變某些目標(biāo)性狀提供了新的路徑和策略。
基因編輯技術(shù)是近10年來(lái)新興的顛覆性生物技術(shù),具有變異明確、穩(wěn)定遺傳、研發(fā)效率高與適用范圍廣等特點(diǎn)。該技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)玉米育種所遇到的瓶頸難題,極大地推動(dòng)了現(xiàn)代玉米育種的發(fā)展。
“經(jīng)過(guò)多年不懈改進(jìn),基于細(xì)菌適應(yīng)性免疫機(jī)制原理,我國(guó)科學(xué)家研發(fā)出了以RNA為指導(dǎo)識(shí)別單元、以核酸修飾酶為定點(diǎn)突變活性工具酶的新一代基因編輯技術(shù)體系。該技術(shù)體系能夠?qū)δ繕?biāo)基因?qū)嵭芯珳?zhǔn)突變或修飾,從而使育種專家獲得所需的生物育種性狀。”黎亮說(shuō)。
農(nóng)科所謝傳曉研究員團(tuán)隊(duì)就在這一研究領(lǐng)域做了大量創(chuàng)新性的工作,使得我國(guó)在玉米基因編輯育種的技術(shù)儲(chǔ)備和國(guó)際水平保持同步。
團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)對(duì)玉米育性基因的功能結(jié)構(gòu)域進(jìn)行了定點(diǎn)定向刪除,從而創(chuàng)制了核不育系,并巧妙地利用基因編輯技術(shù)使之與保持系技術(shù)兼容,從而創(chuàng)制出操控型核不育保持系品種。
“用這種技術(shù)育成新品種后,在進(jìn)行制種時(shí)不再需要人工或機(jī)械去雄,可以實(shí)現(xiàn)‘一步法’制種,降低了生產(chǎn)成本。”黎亮說(shuō)。
他表示,未來(lái)多項(xiàng)育種技術(shù)的有機(jī)融合將大大提高玉米育種的效率,形成新的工程化育種模式。
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