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“分子設計育種”帶來的盛宴
2019-12-23 17:12
來源:中國科學報 秦志偉
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  現在,越來越多的人終于理解“主要經濟作物分子設計育種”項目團隊的價值所在了。

  該項目由中國科學院東北地理與農業生態研究所(以下簡稱東北地理所)牽頭,馮獻忠研究員擔任首席科學家。從2007年起,馮獻忠就帶領團隊率先在國內建立大豆突變體數據庫和從事大豆分子設計育種工作,但這些做法在當時遭到不少質疑甚至反對。

  然而,當這些做法在國家重點研發計劃“主要經濟作物分子設計育種”項目中得到不斷驗證后,質疑化為期待,蹊徑正在變為通途。這是來自全國17家單位、320余名科研人員集體的力量,他們瞄準大豆、棉花、辣椒、油菜等主要經濟作物,貢獻出了一場設計育種的盛宴。

  項目來之不易

  最開始,馮獻忠及其團隊成員對是否申請國家重點研發計劃項目并沒有十足的把握。馮獻忠告訴《中國科學報》,鑒于實際情況,他們當時只想傳播一個理念,“讓別人知道我們理解的分子設計育種是什么樣的”。

  在他看來,分子設計育種是利用分子生物學和系統生物學關于基因功能和生物性狀分子調控網絡知識設計和改良作物品種,可以成為未來育種的一個發展方向。

  馮獻忠最初從事植物分子遺傳學研究,在國外留學期間主要進行系統生物學和計算生物學的研究,因此在育種家的眼里,他是一個行外人。但在馮獻忠看來,任何物種都由基因決定,只要掌握了基因的功能,就可以如同下棋一樣,通過協調不同基因進行作物品種的設計培育。

  長期以來,大豆育種大多采用常規育種方式,就是育種家憑借經驗,做大量的雜交組合,把多個優良性狀的基因聚合到一起。“這么做不僅難度大,而且還有可能引入不好的性狀,比較耗費時間。”項目組成員、東北地理所研究員李艷華告訴《中國科學報》。

  這位被豆農親切稱為“金豆娘娘”的科學家加入項目組后發現,分子設計育種技術能夠把大豆的不同優良性狀有目的地結合到一起,從而加速了育種進程。

  突變體是分子生物學了解基因功能的重要工具,馮獻忠團隊10多年前就在國內率先建立突變體數據庫,目前建立40萬個株系的大豆突變體,成為世界上最大的大豆突變體庫,以及大豆分子設計育種的元件庫和基因資源庫。

  2013年,馮獻忠來到東北地理所,恰好趕上中國科學院啟動戰略性先導科技專項“分子模塊設計育種創新體系”,這讓他及其團隊有了難得的探索、打磨、積淀的契機。

  雖然東北地理所非常支持馮獻忠團隊申報“主要經濟作物分子設計育種”項目,但他卻顯得異常謹慎,因為主要經濟作物分子設計育種當時仍主要停留在理論研究層面,并非主流。項目申報前,國內同行提醒他要考慮清楚國內的現狀。出乎意料的是,評審專家和科技部最終批準了他們的項目申報方案。

  因此,每次項目組開會時,馮獻忠都會反復強調,“項目是國內同行將自己碗里的飯無私地給予咱們的,一定要對得起國家的信任和同行的支持,讓每一分錢的效益大于一分錢”。

  研究亮點頻出

  “中期考核結束后,項目各方面都達到預期目標。”馮獻忠說。幾年下來,通過分子設計育種選育出高產優質的大豆、棉花、辣椒、黃瓜等近40個新品種,品種推廣1200萬畝,經濟效益超過10億元,超額完成項目考核指標。

  ——獲得育種可利用分子標記131個;

  ——獲得控制重要農藝性狀的功能基因和位點63個,可用分子育種方案99個;

  ——建立了大豆基因定點整合技術及基因刪除技術,建立了棉花基因定點整合技術及斷裂的Cre重組酶活性重建技術,建立油菜基因敲除技術等。

  分子設計育種平臺的創建是項目實施以來的一大亮點。科研人員集中收集大豆、棉花、黃瓜、辣椒等主要經濟作物的數據,分析并獲得目標基因及分子標記,再通過分子標記的模擬與組合,設計出高產、優質、抗逆、營養高效利用、多性狀改良聚和等育種方案。

  據悉,該平臺是目前唯一能夠集成高通量數據分析與全基因選擇育種工具的平臺,已有多個國內的育種企業試用。

  袁隆平農業高科技股份有限公司(以下簡稱隆平高科)、塔河種業等優勢育種企業的參與,為項目順利實施,尤其在成果轉化上提供了重要的幫助。

  “大部分科研項目是‘你給錢,我才干活’,這是比較正常的現象。”馮獻忠告訴《中國科學報》,隆平高科嘗到利用分子設計育種平臺帶來的甜頭后,自己出錢請上游為其做分子標記,進行新品種選育,把原來的課題行為變成了企業行為,有力推動了研究成果的轉化。

  以其培育的朝天辣椒新品種為例,2018年該系列品種在云南、河南、貴州推廣30萬畝以上,新增經濟效益達2.4億元,促進了當地辣椒產業結構升級,為鄉村振興和精準扶貧提供了強有力的科技支撐。

  助力解決“卡脖子”問題

  回想起項目啟動之初“指點江山”的激情,現在的馮獻忠早已沒有了原來躊躇滿志的樣子,他描述自己的狀態是“腳踏實地解決實際問題”。

  事實上,育種實踐中出現的問題的復雜程度已經遠遠超出了科學家的猜想,讓科研成果真正成為農民增收的品種一直是項目組的工作重點。

  不負初心,一件件令人高興的事也接踵而來。

  2018年,由項目組培育的大豆新品種“合農91”創造的畝產423.77公斤的全國大豆單產紀錄,將我國大豆單產紀錄提高2.4公斤。2019年,利用分子設計育種技術定向改良的“合農71”大豆新品種畝產447.47公斤,將我國大豆單產紀錄又提高了23.7公斤,標志著我國大豆育種水平達到了新的高度。

  大豆產量一直是育種家最關心的目標之一。當前我國大豆平均單產不足130公斤/畝,而美國和巴西等大豆主產國平均單產達230~240公斤/畝。“我國大豆85%以上依靠進口,重大品種和技術的創新,是解決大豆‘卡脖子’問題的重要科技儲備。”馮獻忠說。

  一直以來,我國大豆育種主要是依靠個體產量的提升來提高單產。在國家重點研發計劃項目的支持下,馮獻忠團隊提出了通過提升群體產量增加我國大豆產量的方案,目前已經在“合農91”和“合農71”兩個品種上看到實效。這正是分子設計育種技術帶來的育種思路的轉變。

  “分子設計育種技術是我們的優勢,使其為國家重大戰略服務也是我們承擔國家重大科研任務的職責。”馮獻忠強調。目前,馮獻忠團隊和中國科學院種子創新研究院的科研人員正在和巴西、俄羅斯以及非洲等國家相關部門合作,組織實施“全球大豆改良計劃”,為保障世界大豆安全供給提供“中國方案”。

  馮獻忠堅信,隨著更多實實在在的研究成果和品種的應用和推廣,分子設計育種技術在主要經濟作物育種中發揮的作用會越來越大。


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