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

分子設(shè)計育種讓水稻高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)

增產(chǎn)14.86%

在2017年生產(chǎn)試驗中，中科發(fā)5號平均畝產(chǎn)653.68千克，比對照品種增產(chǎn)14.86%，該品種穗大粒多、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、粒型長(長寬比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 國務(wù)院關(guān)于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》，即2021年中央一號文件發(fā)布。文件強調(diào)要打好種業(yè)翻身仗，加強農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護開發(fā)利用。

科技日報記者從科技部中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心獲悉，國家重點研發(fā)計劃“七大農(nóng)作物育種”重點專項“水稻全基因組選擇與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種設(shè)計育種”成果圍繞水稻理想株型與品質(zhì)形成的分子機理這一重大科學(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號與中科發(fā)5號等標志性品種，成功實現(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)為目標的分子設(shè)計育種，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?！背晒鶎夙椖控撠?zé)人、中國科學(xué)院院士、中國科學(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報記者采訪時表示。

可實現(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)展是影響國計民生的重大問題，受到世界各國高度關(guān)注。在促進糧食增產(chǎn)的諸多科技因素中，作物品種改良最為重要?！崩罴已笾赋?。

近年來，隨著主要作物全基因組測序的完成，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)計育種即在全基因組序列的基礎(chǔ)上，根據(jù)事先進行的虛擬基因組設(shè)計方案，通過優(yōu)化選擇最佳親本基因組組合、雜交和分子標記選擇等先進技術(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)計育種能夠?qū)崿F(xiàn)從經(jīng)驗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?！崩罴已蟊硎?。

分子設(shè)計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值的新材料，創(chuàng)制高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗新品種，對于保障糧食安全、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

因此，國家重點研發(fā)計劃“七大農(nóng)作物育種”重點專項部署了“主要糧食作物分子設(shè)計育種”項目。

項目下設(shè)的“水稻分子設(shè)計育種”課題以水稻為對象，目標是通過分子設(shè)計育種的技術(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方面深入?yún)f(xié)同合作。

形成新的作物育種技術(shù)體系

項目攻關(guān)運用了哪些黑科技？對此，專家表示，項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)水平和競爭力，推動了良種對增產(chǎn)的貢獻率。

李家洋總結(jié)，具體來看，項目的攻關(guān)過程可分為三個階段。

“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?！崩罴已笳f。目前我國水稻功能基因組學(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)計育種技術(shù)體系的建立及代表性品種的培育?！崩罴已蟊硎?，代表性成果包括嘉優(yōu)中科6號及中科發(fā)5號水稻新品種的培育。嘉優(yōu)中科6號具有超高產(chǎn)、早熟、抗倒和低直鏈淀粉含量等優(yōu)點， 在2014年和2015年的國家單季晚粳組區(qū)試及2016年生產(chǎn)實驗中，產(chǎn)量連續(xù)3年均居第一位。中科發(fā)5號具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、分蘗強、灌漿速度快、適應(yīng)性廣等優(yōu)點。

“第三階段是水稻品種的示范推廣?！崩罴已蠼榻B，嘉優(yōu)中科6號及中科發(fā)5號分別在安徽與吉林進行了千畝示范片的展示，示范效果明顯，在審定后的第一年，兩品種合計推廣面積超過50萬畝。

新品種預(yù)計每畝增產(chǎn)100公斤

如今，項目培育的水稻新品種中科發(fā)5號在產(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2017年生產(chǎn)試驗，平均畝產(chǎn)653.68千克，比對照品種增產(chǎn)14.86%，該品種穗大粒多、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、粒型長(長寬比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。2019年中科發(fā)5號在黑龍江、吉林、遼寧、寧夏、內(nèi)蒙古共布置了40多個百畝以上示范片，示范總面積超過2萬畝。

“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?shù)刂髟云贩N相比，中科發(fā)5號預(yù)計增產(chǎn)100公斤/畝以上；稻瘟病抗性和抗倒伏等抗逆性強，可減少災(zāi)害損失30%；整精米率比當?shù)刂髟詢?yōu)質(zhì)品種提高8%以上，新品種帶來的經(jīng)濟和社會效益將日趨凸顯。”李家洋說。

“2020年是中科發(fā)5號進行正式推廣種植的第一年。雖然受到疫情的影響，但農(nóng)民對該品種認可度非常高?！崩罴已蟊硎?，中科發(fā)5號第一年推廣面積即超過了40萬畝，具有快速增長趨勢，有望成為東北水稻種植中新的主栽品種，對引領(lǐng)我國品種升級換代具有里程碑式的意義。

將新理論、新技術(shù)與當?shù)貙嶋H結(jié)合

項目之所以能取得關(guān)鍵突破，在李家洋看來，主要的經(jīng)驗來源于三個方面。

“首先是理論創(chuàng)新?！崩罴已笳J為，我國水稻基礎(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)計育種創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

“其次是技術(shù)創(chuàng)新?！崩罴已髲娬{(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效率低，育種周期長等問題，大大提高了育種效率，加快品種換代。

“第三是結(jié)合實際?！崩罴已蠼忉?，新理論與新技術(shù)要與實際相結(jié)合，解決當?shù)仄贩N的關(guān)鍵問題。我國幅員遼闊，水稻種植區(qū)非常多，主栽品種也非常多，各個地區(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?shù)氐膶嶋H相結(jié)合，幫助當?shù)仄贩N升級換代。

“項目發(fā)揮了各單位優(yōu)勢，貫徹分子設(shè)計育種理念，重點突破主要糧食作物的品種設(shè)計育種等核心技術(shù)，獲得具有育種利用價值和知識產(chǎn)權(quán)的重大新基因，開發(fā)在育種中有實際應(yīng)用價值的分子標記，建立高效可行的糧食作物分子設(shè)計育種技術(shù)體系?！崩罴已笳f。來源：科技日報記者 馬愛平