【科學(xué)網(wǎng)】“分子設(shè)計(jì)育種”帶來(lái)的盛宴
利用分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)定向改良的“合農(nóng)71”大豆新品種畝產(chǎn)447.47公斤，再次刷新全國(guó)大豆單產(chǎn)紀(jì)錄。
項(xiàng)目實(shí)施方案論證會(huì)暨協(xié)調(diào)會(huì)
◎編者按
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所緊跟國(guó)際科技前沿，前瞻謀劃、科學(xué)布局，承擔(dān)了一系列國(guó)家重大項(xiàng)目，服務(wù)國(guó)家和地方的能力不斷增強(qiáng)，作為東北區(qū)域農(nóng)業(yè)研究中心的地位日益凸顯。即日起，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》推出該所承擔(dān)的國(guó)家重大項(xiàng)目系列報(bào)道，集中展示這些項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)取得的豐碩成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)。
■本報(bào)記者 秦志偉
現(xiàn)在，越來(lái)越多的人終于理解“主要經(jīng)濟(jì)作物分子設(shè)計(jì)育種”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的價(jià)值所在了。
該項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（以下簡(jiǎn)稱東北地理所）牽頭，馮獻(xiàn)忠研究員擔(dān)任首席科學(xué)家。從2007年起，馮獻(xiàn)忠就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先在國(guó)內(nèi)建立大豆突變體數(shù)據(jù)庫(kù)和從事大豆分子設(shè)計(jì)育種工作，但這些做法在當(dāng)時(shí)遭到不少質(zhì)疑甚至反對(duì)。
然而，當(dāng)這些做法在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“主要經(jīng)濟(jì)作物分子設(shè)計(jì)育種”項(xiàng)目中得到不斷驗(yàn)證后，質(zhì)疑化為期待，蹊徑正在變?yōu)橥ㄍ尽＿@是來(lái)自全國(guó)17家單位、320余名科研人員集體的力量，他們瞄準(zhǔn)大豆、棉花、辣椒、油菜等主要經(jīng)濟(jì)作物，貢獻(xiàn)出了一場(chǎng)設(shè)計(jì)育種的盛宴。
項(xiàng)目來(lái)之不易
最開(kāi)始，馮獻(xiàn)忠及其團(tuán)隊(duì)成員對(duì)是否申請(qǐng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目并沒(méi)有十足的把握。馮獻(xiàn)忠告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，鑒于實(shí)際情況，他們當(dāng)時(shí)只想傳播一個(gè)理念，“讓別人知道我們理解的分子設(shè)計(jì)育種是什么樣的”。
在他看來(lái)，分子設(shè)計(jì)育種是利用分子生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)關(guān)于基因功能和生物性狀分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)知識(shí)設(shè)計(jì)和改良作物品種，可以成為未來(lái)育種的一個(gè)發(fā)展方向。
馮獻(xiàn)忠最初從事植物分子遺傳學(xué)研究，在國(guó)外留學(xué)期間主要進(jìn)行系統(tǒng)生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)的研究，因此在育種家的眼里，他是一個(gè)行外人。但在馮獻(xiàn)忠看來(lái)，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(guò)協(xié)調(diào)不同基因進(jìn)行作物品種的設(shè)計(jì)培育。
長(zhǎng)期以來(lái)，大豆育種大多采用常規(guī)育種方式，就是育種家憑借經(jīng)驗(yàn)，做大量的雜交組合，把多個(gè)優(yōu)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(fèi)時(shí)間。”項(xiàng)目組成員、東北地理所研究員李艷華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
這位被豆農(nóng)親切稱為“金豆娘娘”的科學(xué)家加入項(xiàng)目組后發(fā)現(xiàn)，分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)能夠把大豆的不同優(yōu)良性狀有目的地結(jié)合到一起，從而加速了育種進(jìn)程。
突變體是分子生物學(xué)了解基因功能的重要工具，馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)10多年前就在國(guó)內(nèi)率先建立突變體數(shù)據(jù)庫(kù)，目前建立40萬(wàn)個(gè)株系的大豆突變體，成為世界上最大的大豆突變體庫(kù)，以及大豆分子設(shè)計(jì)育種的元件庫(kù)和基因資源庫(kù)。
2013年，馮獻(xiàn)忠來(lái)到東北地理所，恰好趕上中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”，這讓他及其團(tuán)隊(duì)有了難得的探索、打磨、積淀的契機(jī)。
雖然東北地理所非常支持馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)申報(bào)“主要經(jīng)濟(jì)作物分子設(shè)計(jì)育種”項(xiàng)目，但他卻顯得異常謹(jǐn)慎，因?yàn)橹饕?jīng)濟(jì)作物分子設(shè)計(jì)育種當(dāng)時(shí)仍主要停留在理論研究層面，并非主流。項(xiàng)目申報(bào)前，國(guó)內(nèi)同行提醒他要考慮清楚國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀。出乎意料的是，評(píng)審專家和科技部最終批準(zhǔn)了他們的項(xiàng)目申報(bào)方案。
因此，每次項(xiàng)目組開(kāi)會(huì)時(shí)，馮獻(xiàn)忠都會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)，“項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)同行將自己碗里的飯無(wú)私地給予咱們的，一定要對(duì)得起國(guó)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(diǎn)頻出
“中期考核結(jié)束后，項(xiàng)目各方面都達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。”馮獻(xiàn)忠說(shuō)。幾年下來(lái)，通過(guò)分子設(shè)計(jì)育種選育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的大豆、棉花、辣椒、黃瓜等近40個(gè)新品種，品種推廣1200萬(wàn)畝，經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)10億元，超額完成項(xiàng)目考核指標(biāo)。
——獲得育種可利用分子標(biāo)記131個(gè)；
——獲得控制重要農(nóng)藝性狀的功能基因和位點(diǎn)63個(gè)，可用分子育種方案99個(gè)；
——建立了大豆基因定點(diǎn)整合技術(shù)及基因刪除技術(shù)，建立了棉花基因定點(diǎn)整合技術(shù)及斷裂的Cre重組酶活性重建技術(shù)，建立油菜基因敲除技術(shù)等。
分子設(shè)計(jì)育種平臺(tái)的創(chuàng)建是項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)的一大亮點(diǎn)。科研人員集中收集大豆、棉花、黃瓜、辣椒等主要經(jīng)濟(jì)作物的數(shù)據(jù)，分析并獲得目標(biāo)基因及分子標(biāo)記，再通過(guò)分子標(biāo)記的模擬與組合，設(shè)計(jì)出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、營(yíng)養(yǎng)高效利用、多性狀改良聚和等育種方案。
據(jù)悉，該平臺(tái)是目前唯一能夠集成高通量數(shù)據(jù)分析與全基因選擇育種工具的平臺(tái)，已有多個(gè)國(guó)內(nèi)的育種企業(yè)試用。
袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱隆平高科）、塔河種業(yè)等優(yōu)勢(shì)育種企業(yè)的參與，為項(xiàng)目順利實(shí)施，尤其在成果轉(zhuǎn)化上提供了重要的幫助。
“大部分科研項(xiàng)目是‘你給錢，我才干活’，這是比較正常的現(xiàn)象。”馮獻(xiàn)忠告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，隆平高科嘗到利用分子設(shè)計(jì)育種平臺(tái)帶來(lái)的甜頭后，自己出錢請(qǐng)上游為其做分子標(biāo)記，進(jìn)行新品種選育，把原來(lái)的課題行為變成了企業(yè)行為，有力推動(dòng)了研究成果的轉(zhuǎn)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(wàn)畝以上，新增經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2.4億元，促進(jìn)了當(dāng)?shù)乩苯樊a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，為鄉(xiāng)村振興和精準(zhǔn)扶貧提供了強(qiáng)有力的科技支撐。
助力解決“卡脖子”問(wèn)題
回想起項(xiàng)目啟動(dòng)之初“指點(diǎn)江山”的激情，現(xiàn)在的馮獻(xiàn)忠早已沒(méi)有了原來(lái)躊躇滿志的樣子，他描述自己的狀態(tài)是“腳踏實(shí)地解決實(shí)際問(wèn)題”。
事實(shí)上，育種實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題的復(fù)雜程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)家的猜想，讓科研成果真正成為農(nóng)民增收的品種一直是項(xiàng)目組的工作重點(diǎn)。
不負(fù)初心，一件件令人高興的事也接踵而來(lái)。
2018年，由項(xiàng)目組培育的大豆新品種“合農(nóng)91”創(chuàng)造的畝產(chǎn)423.77公斤的全國(guó)大豆單產(chǎn)紀(jì)錄，將我國(guó)大豆單產(chǎn)紀(jì)錄提高2.4公斤。2019年，利用分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)定向改良的“合農(nóng)71”大豆新品種畝產(chǎn)447.47公斤，將我國(guó)大豆單產(chǎn)紀(jì)錄又提高了23.7公斤，標(biāo)志著我國(guó)大豆育種水平達(dá)到了新的高度。
大豆產(chǎn)量一直是育種家最關(guān)心的目標(biāo)之一。當(dāng)前我國(guó)大豆平均單產(chǎn)不足130公斤/畝，而美國(guó)和巴西等大豆主產(chǎn)國(guó)平均單產(chǎn)達(dá)230~240公斤/畝。“我國(guó)大豆85%以上依靠進(jìn)口，重大品種和技術(shù)的創(chuàng)新，是解決大豆‘卡脖子’問(wèn)題的重要科技儲(chǔ)備。”馮獻(xiàn)忠說(shuō)。
一直以來(lái)，我國(guó)大豆育種主要是依靠個(gè)體產(chǎn)量的提升來(lái)提高單產(chǎn)。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)提升群體產(chǎn)量增加我國(guó)大豆產(chǎn)量的方案，目前已經(jīng)在“合農(nóng)91”和“合農(nóng)71”兩個(gè)品種上看到實(shí)效。這正是分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)帶來(lái)的育種思路的轉(zhuǎn)變。
“分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)是我們的優(yōu)勢(shì)，使其為國(guó)家重大戰(zhàn)略服務(wù)也是我們承擔(dān)國(guó)家重大科研任務(wù)的職責(zé)。”馮獻(xiàn)忠強(qiáng)調(diào)。目前，馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院的科研人員正在和巴西、俄羅斯以及非洲等國(guó)家相關(guān)部門合作，組織實(shí)施“全球大豆改良計(jì)劃”，為保障世界大豆安全供給提供“中國(guó)方案”。
馮獻(xiàn)忠堅(jiān)信，隨著更多實(shí)實(shí)在在的研究成果和品種的應(yīng)用和推廣，分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)在主要經(jīng)濟(jì)作物育種中發(fā)揮的作用會(huì)越來(lái)越大。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2019-12-23 第1版 要聞)
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