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    “分子设计育种”带来的盛宴

    2019-12-24 12:29 | 作者: 中国科学报 | 标签: 分子设计育种

    现在,越来越多的人终于理解“主要经济作物分子设计育种”项目团队的价值所在了。

    该项目由中国科学院东北地理与农业生态研究所(以下简称东北地理所)牵头,冯献忠研究员担任首席科学家。从2007年起,冯献忠就带领团队率先在国内建立大豆突变体数据库和从事大豆分子设计育种工作,但这些做法在当时遭到不少质疑甚至反对。

    然而,当这些做法在国家重点研发计划“主要经济作物分子设计育种”项目中得到不断验证后,质疑化为期待,蹊径正在变为通途。这是来自全国17家单位、320余名科研人员集体的力量,他们瞄准大豆、棉花、辣椒、油菜等主要经济作物,贡献出了一场设计育种的盛宴。

    项目来之不易

    最开始,冯献忠及其团队成员对是否申请国家重点研发计划项目并没有十足的把握。冯献忠告诉《中国科学报》,鉴于实际情况,他们当时只想传播一个理念,“让别人知道我们理解的分子设计育种是什么样的”。

    在他看来,分子设计育种是利用分子生物学和系统生物学关于基因功能和生物性状分子调控网络知识设计和改良作物品种,可以成为未来育种的一个发展方向。

    冯献忠最初从事植物分子遗传学研究,在国外留学期间主要进行系统生物学和计算生物学的研究,因此在育种家的眼里,他是一个行外人。但在冯献忠看来,任何物种都由基因决定,只要掌握了基因的功能,就可以如同下棋一样,通过协调不同基因进行作物品种的设计培育。

    长期以来,大豆育种大多采用常规育种方式,就是育种家凭借经验,做大量的杂交组合,把多个优良性状的基因聚合到一起。“这么做不仅难度大,而且还有可能引入不好的性状,比较耗费时间。”项目组成员、东北地理所研究员李艳华告诉《中国科学报》。

    这位被豆农亲切称为“金豆娘娘”的科学家加入项目组后发现,分子设计育种技术能够把大豆的不同优良性状有目的地结合到一起,从而加速了育种进程。

    突变体是分子生物学了解基因功能的重要工具,冯献忠团队10多年前就在国内率先建立突变体数据库,目前建立40万个株系的大豆突变体,成为世界上最大的大豆突变体库,以及大豆分子设计育种的元件库和基因资源库。

    2013年,冯献忠来到东北地理所,恰好赶上中国科学院启动战略性先导科技专项“分子??樯杓朴执葱绿逑?rdquo;,这让他及其团队有了难得的探索、打磨、积淀的契机。

    虽然东北地理所非常支持冯献忠团队申报“主要经济作物分子设计育种”项目,但他却显得异常谨慎,因为主要经济作物分子设计育种当时仍主要停留在理论研究层面,并非主流。项目申报前,国内同行提醒他要考虑清楚国内的现状。出乎意料的是,评审专家和科技部最终批准了他们的项目申报方案。

    因此,每次项目组开会时,冯献忠都会反复强调,“项目是国内同行将自己碗里的饭无私地给予咱们的,一定要对得起国家的信任和同行的支持,让每一分钱的效益大于一分钱”。

    研究亮点频出

    “中期考核结束后,项目各方面都达到预期目标。”冯献忠说。几年下来,通过分子设计育种选育出高产优质的大豆、棉花、辣椒、黄瓜等近40个新品种,品种推广1200万亩,经济效益超过10亿元,超额完成项目考核指标。

    ——获得育种可利用分子标记131个;

    ——获得控制重要农艺性状的功能基因和位点63个,可用分子育种方案99个;

    ——建立了大豆基因定点整合技术及基因删除技术,建立了棉花基因定点整合技术及断裂的Cre重组酶活性重建技术,建立油菜基因敲除技术等。

    分子设计育种平台的创建是项目实施以来的一大亮点??蒲腥嗽奔惺占蠖?、棉花、黄瓜、辣椒等主要经济作物的数据,分析并获得目标基因及分子标记,再通过分子标记的模拟与组合,设计出高产、优质、抗逆、营养高效利用、多性状改良聚和等育种方案。

    据悉,该平台是目前唯一能够集成高通量数据分析与全基因选择育种工具的平台,已有多个国内的育种企业试用。

    袁隆平农业高科技股份有限公司(以下简称隆平高科)、塔河种业等优势育种企业的参与,为项目顺利实施,尤其在成果转化上提供了重要的帮助。

    “大部分科研项目是‘你给钱,我才干活’,这是比较正常的现象。”冯献忠告诉《中国科学报》,隆平高科尝到利用分子设计育种平台带来的甜头后,自己出钱请上游为其做分子标记,进行新品种选育,把原来的课题行为变成了企业行为,有力推动了研究成果的转化。

    以其培育的朝天辣椒新品种为例,2018年该系列品种在云南、河南、贵州推广30万亩以上,新增经济效益达2.4亿元,促进了当地辣椒产业结构升级,为乡村振兴和精准扶贫提供了强有力的科技支撑。

    助力解决“卡脖子”问题

    回想起项目启动之初“指点江山”的激情,现在的冯献忠早已没有了原来踌躇满志的样子,他描述自己的状态是“脚踏实地解决实际问题”。

    事实上,育种实践中出现的问题的复杂程度已经远远超出了科学家的猜想,让科研成果真正成为农民增收的品种一直是项目组的工作重点。

    不负初心,一件件令人高兴的事也接踵而来。

    2018年,由项目组培育的大豆新品种“合农91”创造的亩产423.77公斤的全国大豆单产纪录,将我国大豆单产纪录提高2.4公斤。2019年,利用分子设计育种技术定向改良的“合农71”大豆新品种亩产447.47公斤,将我国大豆单产纪录又提高了23.7公斤,标志着我国大豆育种水平达到了新的高度。

    大豆产量一直是育种家最关心的目标之一。当前我国大豆平均单产不足130公斤/亩,而美国和巴西等大豆主产国平均单产达230~240公斤/亩。“我国大豆85%以上依靠进口,重大品种和技术的创新,是解决大豆‘卡脖子’问题的重要科技储备。”冯献忠说。

    一直以来,我国大豆育种主要是依靠个体产量的提升来提高单产。在国家重点研发计划项目的支持下,冯献忠团队提出了通过提升群体产量增加我国大豆产量的方案,目前已经在“合农91”和“合农71”两个品种上看到实效。这正是分子设计育种技术带来的育种思路的转变。

    “分子设计育种技术是我们的优势,使其为国家重大战略服务也是我们承担国家重大科研任务的职责。”冯献忠强调。目前,冯献忠团队和中国科学院种子创新研究院的科研人员正在和巴西、俄罗斯以及非洲等国家相关部门合作,组织实施“全球大豆改良计划”,为保障世界大豆安全供给提供“中国方案”。

    冯献忠坚信,随着更多实实在在的研究成果和品种的应用和推广,分子设计育种技术在主要经济作物育种中发挥的作用会越来越大。

    来源:中国科学报

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