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水稻育种进入分子时代

发布时间:2016-04-26 点击次数:1979

  4月22日,农业部发布了《中国农业展望报告(2016—2025)》,报告指出,“十三五”期间以及未来10年,中国稻谷生产将进入高水平稳定发展期,并预测“能够完全确保谷物基本自给、口粮绝对安全目标”。
  羊城晚报记者注意到,在“口粮绝对安全”有保障的表述下,报告同时提及,2016年中国稻米种子用量基本持平,展望期间,种子消费稳中略减。“培育创新品种,提升竞争力,是挖掘粮食生产新潜力的重要措施。”中国种子协会秘书长李立秋告诉羊城晚报记者,种子是国家粮食安全的“命门”,当前创新能力和持续发展能力不足依然是中国多数种子企业的最大短板,有关部门必须高度重视种业“小而散”的发展现状。
  事实上,1996年农业部启动“中国超级稻育种计划”至今,20年间,水稻育种经历了从传统田间地头的杂交育种到现代实验室的分子育种的“精准革命”。如何提升水稻育种创新能力和可持续发展能力,牢牢掌控中国粮食的“命脉”,已然成为国家战略层面的重要话题。
  A 育种 革命:
  超级芯片精准描绘“基因指纹”
  “我们的育种芯片已经升级到了3.0版,提高了基因的密度,有效扩大了功能基因的检测范围。”4月23日,中化集团下属中国种子集团中国种子生命科学技术中心副主任、作物育种技术创新与集成国家重点实验室主任周发松接受羊城晚报记者采访时称,随着更高密度水稻基因芯片的成功研制,农作物育种正在发生从传统的“经验育种”向“精确育种”的革命性变革。
  他所说的芯片,是一张长8厘米、宽2.5厘米、厚度不到0.2厘米的薄薄芯片,这是全球首张水稻全基因组育种芯片,也是中国自主知识产权的首张育种超级芯片。
  2010年,周发松回国加盟中国种子集团有限公司,参与创建中国种子生命科学技术中心,担任基因组育种部总监。同一年,他带领团队开始研发水稻全基因组育种芯片。“在传统育种中,根据作物的田间表现观察性状是很有限的,育种家想要了解作物带有哪些基因,要借助一定的生物检测工具。在此之前,中国只能检测少数基因,基因组水平上的检测做不到。”周发松说。
  研发团队在已破译的将近4万个水稻功能基因中,把每一个基因特定的指纹序列通过大数据分析选出来,设计成分子检测探针。“固定到直径为两微米的微珠上,将6000多万个微珠有序地排列到一个小小的玻璃片上的方格里,制成了我们的育种芯片”。
  在工作人员向记者展示的芯片中,可以看到两排共24个玻璃小方块整齐排列其上,每个小方块的大小不到0.1平方厘米,这样一块芯片可以同时检测24个样品。
  据介绍,将待检测的水稻品种的DNA抽取出来,与芯片上的探针进行反应,通过对信号的扫描和计算机分析,育种家们就能知道检测品种里面带有怎样的基因组成。
  “就像抽血化验,以前一次抽样只能检测一两个指标,现在可以检测成百上千个指标。”谈到育种芯片的作用,该中心基因组育种部喻辉辉博士这样比喻,通过高通量分子标记筛选技术,育种芯片可以对种质资源进行快速分析和筛选,“在实验室就可以快速排除95%以上的非目标单株,避免了大量的田间筛选工作,这样选育一个新品种,时间可以从过去的七八年缩短到三四年”。
  与此同时,周发松和他的团队还着手建立了中国水稻品种基因指纹数据库,帮助育种家迅速认出每一粒水稻的“前世今生”。
  “它的工作原理相当于给每个水稻品种做一张身份证,标示好各种指标参数,就可以通过计算机进行查询。”周发松介绍称,这样的“身份证”将实现种子管理和作物育种由原有的描述性阶段过渡到数字化研发阶段,使育种家能够共享种质材料和基因资源的同时,也能够实现育种中间成果的商业化交易,从而有效地交流、整合育种资源,提高育种效率。
  绿色超级稻可预见的未来?
  B “量身”定做:
  目前,超级芯片已应用到国内最先进的绿色超级稻研发中。
  “我们在超级稻的基础之上改良抗稻瘟病性,已经培育了十多个品系,开始进行试验示范。”周发松透露,借助水稻全基因组育种芯片“精准制导”,其团队通过杂交、回交等常规育种手段,历时4年,将稻瘟病抗性基因汇集到骨干亲本品种中,在提高抗性的同时尽量不带入其他不好的基因,以保证原有骨干亲本品种各种性状不发生改变。
  据了解,这一技术体系除可针对稻瘟病抗性进行定向改良外,还可针对水稻抗病、抗虫、粒型、香型、胶稠度和生育期等进行精准的定向改良。
  “未来随着育种技术的进一步发展,根据各地光温条件不同,‘量身定做’最合适的绿色品种也是可能实现的。”周发松表示,绿色超级稻育种的目标是少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产,育种新技术的发展将逐渐破解传统育种技术中绿色性状高效遗传改良的难题。
  事实上,大数据时代带来了丰富的基因数据和专业化分工变革,让这一“量身定做”的梦想变得并非遥不可及。
  2005年,中国水稻研究所正式上线的“国家水稻数据中心”,2015年,中国农业科学院等联合启动“云之稻”项目,推动水稻基因组数据全球共享,同年,华大基因宣布与美国企业共建全球水稻非转基因遗传资源数据库。
  “水稻功能基因数据库不仅可以查询基因的功能,也提供了众多育种上有利基因的连锁标记,以及等位基因在大品种中的分布,为分子辅助育种提供了参考。”中国水稻研究所副研究员鄂志国告诉羊城晚报记者,这些海量数据的应用,为进一步规模化挖掘与解析作物重要功能基因夯实了基础,也有力地推动国内育种水平迈上了一个新台阶。
  与此同时,商业化育种技术体系也初步建立起来,分段式育种流水线把育种过程分成了多个环节,实现了专业化分工。
  C 分子 时代:
  广东分子育种走在全国前列
  1996年,农业部立项开启了“中国超级稻”育种计划,并于2005年开始实施超级稻新品种选育与示范推广项目。截至2015年,通过农业部认定并示范推广的超级稻共118个品种。
  记者查询国家水稻数据中心数据发现,118个超级稻品种中,由广东选育出来的就达13种,位居全国前列;其中广东省农业科学院水稻研究所选育的高达10种,仅次于选育了11个品种的中国水稻研究所。
  “从实用性角度来讲,水稻分子育种与常规育种紧密结合方面,广东走在全国前列。”广东省农科院水稻研究所所长王丰告诉羊城晚报记者,随着水稻功能基因组研究的不断深入,大量控制水稻重要性状的基因被标记定位和克隆,为水稻育种走进“分子时代”奠定了重要基础。目前应用最多、最有成效的是分子标记辅助选择技术,广东省农业科学院水稻研究所很多水稻品种就是利用分子标记辅助选择育种技术创制出来的,有些品种已开始在生产上大面积推广应用。
  D 创新 难题:
  育种背后的国家战略
  “现代水稻科学需要兼容并蓄。”中国科学院院士、国家水稻产业体系华南稻区岗位专家谢华安称,中国作为水稻大国,超级稻不光追求绝对高产,更多的应该培育丰产性、抗性、优质性和适应性“四性”较高的水稻良种。
  在他看来,随着人民生活水平的逐步提高,在保证一定丰产性的条件下,培育中高档优质稻显得尤为重要;同时,随着我国经济发展进入新常态,人口进入老龄化,农村青壮年劳动力越来越少,又对水稻育种提出了适于轻简化栽培和机械化的更高要求。
  2011年,国务院发布《关于加快推进现代农作物种业发展的意见》,首次明确了农作物种业的地位,即种业是国家战略性、基础性的核心产业,是促进农业长期稳定发展、保障国家粮食安全的根本。
  今年的中央1号文件中,再次出现了“种业”的身影,同时明确要求“提升种业自主创新能力,保障国家种业安全”。在“十三五”规划纲要中,亦明确要求“发展现代种业,开展良种重大科技攻关,实施新一轮品种更新换代行动计划,建设国家级育制种基地,培育壮大育繁推一体化的种业龙头企业”。
  种业毫不意外地被认为是迎来了“黄金发展期”,但隐忧依然明显。
  在业内人士看来,全球前10大种业公司已有8家在中国设立分支机构,国际种业公司纷纷抢滩登陆中国市场,我国部分种子企业面临市场份额被蚕食、自主品种被外国种子代替等外部压力,与此同时,种子企业“小而散”的现状也严重制约了育种的创新能力。
  中国种子协会秘书长李立秋告诉记者一组数据:“我国有4700多家种子企业,但有自主创新能力的只有100多家,而从大宗作物(玉米、水稻、棉花、小麦)来看,真正有创新能力的只有70多家,创新能力和可持续发展能力远远不足。”
  而在鄂志国看来,尽管大数据技术为分子育种提供了可能,但与国外的大型种业公司相比,我国的种业信息化还处于建设期。他认为,众多的科研单位和中小公司仍主要依赖常规育种手段,仅有极少数大型公司和单位有能力进行大数据育种的研发。
  多位育种专家建议,国家应引导、扶植中小企业“抱团发展”,同时培育3到5家具有研发能力和市场营销能力的重点龙头企业,保持国家对种业的主导权和控制权。同时,进入国际市场,参与国际种业竞争。
  记者采访获悉,国务院已启动实施现代种业提升工程,“十三五”期间,我国将加快现代种业发展和种业强国建设步伐,力争到2020年,有两三家企业迈进全球种业10强行列,国内10强、50强种业市场集中度分别达到30%和50%以上。
  相关人士透露,农业部、发改委等国家有关部委对此已有初步规划,将加大国家财政对种业研发的支持力度。



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