在全基因組測(cè)序基礎(chǔ)上，根據(jù)虛擬設(shè)計(jì)方案，聚合大量有益基因

分子設(shè)計(jì)育種讓水稻高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)

增產(chǎn)14.86%

在2017年生產(chǎn)試驗(yàn)中，中科發(fā)5號(hào)平均畝產(chǎn)653.68千克，比對(duì)照品種增產(chǎn)14.86%，該品種穗大粒多、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、粒型長(zhǎng)(長(zhǎng)寬比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，種子是基礎(chǔ)。2月21日，《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》，即2021年中央一號(hào)文件發(fā)布。文件強(qiáng)調(diào)要打好種業(yè)翻身仗，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)開發(fā)利用。

科技日?qǐng)?bào)記者從科技部中國(guó)農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心獲悉，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“七大農(nóng)作物育種”重點(diǎn)專項(xiàng)“水稻全基因組選擇與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種設(shè)計(jì)育種”成果圍繞水稻理想株型與品質(zhì)形成的分子機(jī)理這一重大科學(xué)問題取得了一系列關(guān)鍵突破。

“該成果創(chuàng)建了直接利用自然材料與生產(chǎn)品種進(jìn)行復(fù)雜性狀遺傳解析的新方法;揭示了影響水稻產(chǎn)量的理想株型形成的關(guān)鍵基因和分子基礎(chǔ);闡明了稻米食用品質(zhì)精細(xì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，用于指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)稻米品種培育;培育了嘉優(yōu)中科6號(hào)與中科發(fā)5號(hào)等標(biāo)志性品種，成功實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗病抗倒等優(yōu)良性狀的高效聚合，示范了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)為目標(biāo)的分子設(shè)計(jì)育種，為解決水稻產(chǎn)量品質(zhì)協(xié)同改良的難題提供了有效策略。”成果所屬項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

可實(shí)現(xiàn)定向高效的精確育種

“糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是影響國(guó)計(jì)民生的重大問題，受到世界各國(guó)高度關(guān)注。在促進(jìn)糧食增產(chǎn)的諸多科技因素中，作物品種改良最為重要。”李家洋指出。

近年來(lái)，隨著主要作物全基因組測(cè)序的完成，功能基因組學(xué)以及生物信息學(xué)的發(fā)展，一種新的育種理念——分子設(shè)計(jì)育種在世界范圍內(nèi)逐漸興起，并成為引領(lǐng)作物遺傳改良的前沿技術(shù)。

分子設(shè)計(jì)育種即在全基因組序列的基礎(chǔ)上，根據(jù)事先進(jìn)行的虛擬基因組設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化選擇最佳親本基因組組合、雜交和分子標(biāo)記選擇等先進(jìn)技術(shù)，聚合大量有益基因，從而培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗、高效的優(yōu)良新品種。

“與傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，分子設(shè)計(jì)育種能夠?qū)崿F(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)育種到定向高效的精確育種轉(zhuǎn)變，大幅提高育種效率，是一種新的保障糧食安全的技術(shù)體系與途徑。”李家洋表示。

分子設(shè)計(jì)育種不僅能在很大程度上減少常規(guī)育種的盲目性，而且能夠顯著提高作物育種的效率，創(chuàng)造有重大育種利用價(jià)值的新材料，創(chuàng)制高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗新品種，對(duì)于保障糧食安全、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

因此，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“七大農(nóng)作物育種”重點(diǎn)專項(xiàng)部署了“主要糧食作物分子設(shè)計(jì)育種”項(xiàng)目。

項(xiàng)目下設(shè)的“水稻分子設(shè)計(jì)育種”課題以水稻為對(duì)象，目標(biāo)是通過分子設(shè)計(jì)育種的技術(shù)手段，圍繞種質(zhì)創(chuàng)新、育種新技術(shù)、新品種選育等科技創(chuàng)新鏈條，組織高水平研究單位、水稻主產(chǎn)區(qū)育種單位及國(guó)內(nèi)影響力較大的相關(guān)企業(yè)等，從科學(xué)研究、品種開發(fā)與選育、重大品種推廣等各個(gè)方面深入?yún)f(xié)同合作。

形成新的作物育種技術(shù)體系

項(xiàng)目攻關(guān)運(yùn)用了哪些黑科技?對(duì)此，專家表示，項(xiàng)目通過基因聚合和全基因組篩選等技術(shù)創(chuàng)制了水稻的育種新材料和優(yōu)異新種質(zhì)，形成了新的高效作物育種技術(shù)體系，提高了新品種選育效率，培育出了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆和適宜輕簡(jiǎn)栽培的重大新品種并推廣應(yīng)用，提高了糧食生產(chǎn)水平和競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)了良種對(duì)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率。

李家洋總結(jié)，具體來(lái)看，項(xiàng)目的攻關(guān)過程可分為三個(gè)階段。

“第一階段是水稻重要農(nóng)藝性狀關(guān)鍵基因的克隆與鑒定。”李家洋說(shuō)。目前我國(guó)水稻功能基因組學(xué)研究世界領(lǐng)先，涌現(xiàn)了一大批重要成果，每年都有許多重要基因得到克隆，典型成果包括水稻理想株型基因IPA1的克隆及其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析，稻米品質(zhì)形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析等。

“第二階段是水稻分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系的建立及代表性品種的培育。”李家洋表示，代表性成果包括嘉優(yōu)中科6號(hào)及中科發(fā)5號(hào)水稻新品種的培育。嘉優(yōu)中科6號(hào)具有超高產(chǎn)、早熟、抗倒和低直鏈淀粉含量等優(yōu)點(diǎn)， 在2014年和2015年的國(guó)家單季晚粳組區(qū)試及2016年生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)量連續(xù)3年均居第一位。中科發(fā)5號(hào)具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、分蘗強(qiáng)、灌漿速度快、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)。

“第三階段是水稻品種的示范推廣。”李家洋介紹，嘉優(yōu)中科6號(hào)及中科發(fā)5號(hào)分別在安徽與吉林進(jìn)行了千畝示范片的展示，示范效果明顯，在審定后的第一年，兩品種合計(jì)推廣面積超過50萬(wàn)畝。

新品種預(yù)計(jì)每畝增產(chǎn)100公斤

如今，項(xiàng)目培育的水稻新品種中科發(fā)5號(hào)在產(chǎn)量、稻瘟病抗性、抗倒伏性以及食味品質(zhì)各方面均非常優(yōu)異，成為明星水稻新品種。

數(shù)據(jù)顯示：中科發(fā)5號(hào)2017年生產(chǎn)試驗(yàn)，平均畝產(chǎn)653.68千克，比對(duì)照品種增產(chǎn)14.86%，該品種穗大粒多、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、粒型長(zhǎng)(長(zhǎng)寬比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。2019年中科發(fā)5號(hào)在黑龍江、吉林、遼寧、寧夏、內(nèi)蒙古共布置了40多個(gè)百畝以上示范片，示范總面積超過2萬(wàn)畝。

“在吉林省吉林市布置的2000畝連片示范片，在產(chǎn)量、抗稻瘟病、抗倒伏等農(nóng)藝性狀中表現(xiàn)突出，株型、粒型等外觀優(yōu)異，品質(zhì)優(yōu)良，口感更佳。同當(dāng)?shù)刂髟云贩N相比，中科發(fā)5號(hào)預(yù)計(jì)增產(chǎn)100公斤/畝以上;稻瘟病抗性和抗倒伏等抗逆性強(qiáng)，可減少災(zāi)害損失30%;整精米率比當(dāng)?shù)刂髟詢?yōu)質(zhì)品種提高8%以上，新品種帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益將日趨凸顯。”李家洋說(shuō)。

“2020年是中科發(fā)5號(hào)進(jìn)行正式推廣種植的第一年。雖然受到疫情的影響，但農(nóng)民對(duì)該品種認(rèn)可度非常高。”李家洋表示，中科發(fā)5號(hào)第一年推廣面積即超過了40萬(wàn)畝，具有快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，有望成為東北水稻種植中新的主栽品種，對(duì)引領(lǐng)我國(guó)品種升級(jí)換代具有里程碑式的意義。

將新理論、新技術(shù)與當(dāng)?shù)貙?shí)際結(jié)合

項(xiàng)目之所以能取得關(guān)鍵突破，在李家洋看來(lái)，主要的經(jīng)驗(yàn)來(lái)源于三個(gè)方面。

“首先是理論創(chuàng)新。”李家洋認(rèn)為，我國(guó)水稻基礎(chǔ)科研引領(lǐng)世界，這為水稻育種提供了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)與遺傳資源。我國(guó)水稻科學(xué)家克隆了一批重要的農(nóng)藝性狀基因，為后續(xù)的水稻分子設(shè)計(jì)育種創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

“其次是技術(shù)創(chuàng)新。”李家洋強(qiáng)調(diào)，育種技術(shù)的提升是培育優(yōu)異新品種的核心。水稻分子設(shè)計(jì)育種，綜合遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)等手段，并結(jié)合常規(guī)育種方法，可以有效突破常規(guī)育種的局限性，尤其克服了在選育品質(zhì)、抗病蟲和抗逆、養(yǎng)分高效利用等性狀時(shí)效率低，育種周期長(zhǎng)等問題，大大提高了育種效率，加快品種換代。

“第三是結(jié)合實(shí)際。”李家洋解釋，新理論與新技術(shù)要與實(shí)際相結(jié)合，解決當(dāng)?shù)仄贩N的關(guān)鍵問題。我國(guó)幅員遼闊，水稻種植區(qū)非常多，主栽品種也非常多，各個(gè)地區(qū)的主栽品種所面臨的自然條件與災(zāi)害都不同，將新理論與新技術(shù)與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際相結(jié)合，幫助當(dāng)?shù)仄贩N升級(jí)換代。

“項(xiàng)目發(fā)揮了各單位優(yōu)勢(shì)，貫徹分子設(shè)計(jì)育種理念，重點(diǎn)突破主要糧食作物的品種設(shè)計(jì)育種等核心技術(shù)，獲得具有育種利用價(jià)值和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大新基因，開發(fā)在育種中有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的分子標(biāo)記，建立高效可行的糧食作物分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系。”李家洋說(shuō)。(記者 馬愛平)