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農(nóng)業(yè)儀器網(wǎng)

水稻育種進入分子時代

來源: 轉(zhuǎn)載  類別:行業(yè)動態(tài)  更新時間:2016-04-26  閱讀
  4月22日,農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《中國農(nóng)業(yè)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(chǎn)將進入高水平穩(wěn)定發(fā)展期,并預(yù)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(wěn)中略減。“培育創(chuàng)新品種,提升競爭力,是挖掘糧食生產(chǎn)新潛力的重要措施。”中國種子協(xié)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(dāng)前創(chuàng)新能力和持續(xù)發(fā)展能力不足依然是中國多數(shù)種子企業(yè)的最大短板,有關(guān)部門必須高度重視種業(yè)“小而散”的發(fā)展現(xiàn)狀。
  事實上,1996年農(nóng)業(yè)部啟動“中國超級稻育種計劃”至今,20年間,水稻育種經(jīng)歷了從傳統(tǒng)田間地頭的雜交育種到現(xiàn)代實驗室的分子育種的“精準革命”。如何提升水稻育種創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力,牢牢掌控中國糧食的“命脈”,已然成為國家戰(zhàn)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(jīng)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(xué)技術(shù)中心副主任、作物育種技術(shù)創(chuàng)新與集成國家重點實驗室主任周發(fā)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(nóng)作物育種正在發(fā)生從傳統(tǒng)的“經(jīng)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(chǎn)權(quán)的首張育種超級芯片。
  2010年,周發(fā)松回國加盟中國種子集團有限公司,參與創(chuàng)建中國種子生命科學(xué)技術(shù)中心,擔(dān)任基因組育種部總監(jiān)。同一年,他帶領(lǐng)團隊開始研發(fā)水稻全基因組育種芯片。“在傳統(tǒng)育種中,根據(jù)作物的田間表現(xiàn)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(shù)基因,基因組水平上的檢測做不到。”周發(fā)松說。
  研發(fā)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(shù)據(jù)分析選出來,設(shè)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(jù)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(yīng),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(xiàn)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(shù),育種芯片可以對種質(zhì)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(fā)松和他的團隊還著手建立了中國水稻品種基因指紋數(shù)據(jù)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(dāng)于給每個水稻品種做一張身份證,標示好各種指標參數(shù),就可以通過計算機進行查詢。”周發(fā)松介紹稱,這樣的“身份證”將實現(xiàn)種子管理和作物育種由原有的描述性階段過渡到數(shù)字化研發(fā)階段,使育種家能夠共享種質(zhì)材料和基因資源的同時,也能夠?qū)崿F(xiàn)育種中間成果的商業(yè)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(yù)見的未來?
  B “量身”定做:
  目前,超級芯片已應(yīng)用到國內(nèi)最先進的綠色超級稻研發(fā)中。
  “我們在超級稻的基礎(chǔ)之上改良抗稻瘟病性,已經(jīng)培育了十多個品系,開始進行試驗示范。”周發(fā)松透露,借助水稻全基因組育種芯片“精準制導(dǎo)”,其團隊通過雜交、回交等常規(guī)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(fā)生改變。
  據(jù)了解,這一技術(shù)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(shù)的進一步發(fā)展,根據(jù)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(xiàn)的。”周發(fā)松表示,綠色超級稻育種的目標是少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水抗旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),育種新技術(shù)的發(fā)展將逐漸破解傳統(tǒng)育種技術(shù)中綠色性狀高效遺傳改良的難題。
  事實上,大數(shù)據(jù)時代帶來了豐富的基因數(shù)據(jù)和專業(yè)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(shù)據(jù)中心”,2015年,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等聯(lián)合啟動“云之稻”項目,推動水稻基因組數(shù)據(jù)全球共享,同年,華大基因宣布與美國企業(yè)共建全球水稻非轉(zhuǎn)基因遺傳資源數(shù)據(jù)庫。
  “水稻功能基因數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的應(yīng)用,為進一步規(guī)模化挖掘與解析作物重要功能基因夯實了基礎(chǔ),也有力地推動國內(nèi)育種水平邁上了一個新臺階。
  與此同時,商業(yè)化育種技術(shù)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(huán)節(jié),實現(xiàn)了專業(yè)化分工。
  C 分子 時代:
  廣東分子育種走在全國前列
  1996年,農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),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(nóng)業(yè)科學(xué)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(guī)育種緊密結(jié)合方面,廣東走在全國前列。”廣東省農(nóng)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(chǔ)。目前應(yīng)用最多、最有成效的是分子標記輔助選擇技術(shù),廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(shù)創(chuàng)制出來的,有些品種已開始在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用。
  D 創(chuàng)新 難題:
  育種背后的國家戰(zhàn)略
  “現(xiàn)代水稻科學(xué)需要兼容并蓄。”中國科學(xué)院院士、國家水稻產(chǎn)業(yè)體系華南稻區(qū)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(chǎn),更多的應(yīng)該培育豐產(chǎn)性、抗性、優(yōu)質(zhì)性和適應(yīng)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(chǎn)性的條件下,培育中高檔優(yōu)質(zhì)稻顯得尤為重要;同時,隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài),人口進入老齡化,農(nóng)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(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快推進現(xiàn)代農(nóng)作物種業(yè)發(fā)展的意見》,首次明確了農(nóng)作物種業(yè)的地位,即種業(yè)是國家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性的核心產(chǎn)業(yè),是促進農(nóng)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)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(xiàn)了“種業(yè)”的身影,同時明確要求“提升種業(yè)自主創(chuàng)新能力,保障國家種業(yè)安全”。在“十三五”規(guī)劃綱要中,亦明確要求“發(fā)展現(xiàn)代種業(yè),開展良種重大科技攻關(guān),實施新一輪品種更新?lián)Q代行動計劃,建設(shè)國家級育制種基地,培育壯大育繁推一體化的種業(yè)龍頭企業(yè)”。
  種業(yè)毫不意外地被認為是迎來了“黃金發(fā)展期”,但隱憂依然明顯。
  在業(yè)內(nèi)人士看來,全球前10大種業(yè)公司已有8家在中國設(shè)立分支機構(gòu),國際種業(yè)公司紛紛搶灘登陸中國市場,我國部分種子企業(yè)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(yè)“小而散”的現(xiàn)狀也嚴重制約了育種的創(chuàng)新能力。
  中國種子協(xié)會秘書長李立秋告訴記者一組數(shù)據(jù):“我國有4700多家種子企業(yè),但有自主創(chuàng)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(chuàng)新能力的只有70多家,創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力遠遠不足。”
  而在鄂志國看來,盡管大數(shù)據(jù)技術(shù)為分子育種提供了可能,但與國外的大型種業(yè)公司相比,我國的種業(yè)信息化還處于建設(shè)期。他認為,眾多的科研單位和中小公司仍主要依賴常規(guī)育種手段,僅有極少數(shù)大型公司和單位有能力進行大數(shù)據(jù)育種的研發(fā)。
  多位育種專家建議,國家應(yīng)引導(dǎo)、扶植中小企業(yè)“抱團發(fā)展”,同時培育3到5家具有研發(fā)能力和市場營銷能力的重點龍頭企業(yè),保持國家對種業(yè)的主導(dǎo)權(quán)和控制權(quán)。同時,進入國際市場,參與國際種業(yè)競爭。
  記者采訪獲悉,國務(wù)院已啟動實施現(xiàn)代種業(yè)提升工程,“十三五”期間,我國將加快現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展和種業(yè)強國建設(shè)步伐,力爭到2020年,有兩三家企業(yè)邁進全球種業(yè)10強行列,國內(nèi)10強、50強種業(yè)市場集中度分別達到30%和50%以上。
  相關(guān)人士透露,農(nóng)業(yè)部、發(fā)改委等國家有關(guān)部委對此已有初步規(guī)劃,將加大國家財政對種業(yè)研發(fā)的支持力度。
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