分子設計育種讓水稻高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì) 新品種預計每畝增產(chǎn)100公斤

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(cháng)(長(cháng)寬比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。

農業(yè)現代化，種子是基礎。2月21日，《中共中央 國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉村振興加快農業(yè)農村現代化的意見(jiàn)》，即2021年中央一號文件發(fā)布。文件強調要打好種業(yè)翻身仗，加強農業(yè)種質(zhì)資源保護開(kāi)發(fā)利用。

科技日報記者從科技部中國農村技術(shù)開(kāi)發(fā)中心獲悉，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“七大農作物育種”重點(diǎn)專(zhuān)項“水稻全基因組選擇與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種設計育種”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(wèn)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(jìn)行復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;闡明了稻米食用品質(zhì)精細調控網(wǎng)絡(luò )，用于指導優(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(shí)現了高產(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。”成果所屬項目負責人、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(fǎng)時(shí)表示。

可實(shí)現定向高效的精確育種

“糧食安全與農業(yè)可持續發(fā)展是影響國計民生的重大問(wèn)題，受到世界各國高度關(guān)注。在促進(jìn)糧食增產(chǎn)的諸多科技因素中，作物品種改良最為重要。”李家洋指出。

近年來(lái)，隨著(zhù)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——分子設計育種在世界范圍內逐漸興起，并成為引領(lǐng)作物遺傳改良的前沿技術(shù)。

分子設計育種即在全基因組序列的基礎上，根據事先進(jìn)行的虛擬基因組設計方案，通過(guò)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(jìn)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。

“與傳統育種技術(shù)相比，分子設計育種能夠實(shí)現從經(jīng)驗育種到定向高效的精確育種轉變，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。”李家洋表示。

分子設計育種不僅能在很大程度上減少常規育種的盲目性，而且能夠顯著(zhù)提高作物育種的效率，創(chuàng )造有重大育種利用價(jià)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(shí)現農業(yè)可持續發(fā)展具有重要意義。

因此，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“七大農作物育種”重點(diǎn)專(zhuān)項部署了“主要糧食作物分子設計育種”項目。

項目下設的“水稻分子設計育種”課題以水稻為對象，目標是通過(guò)分子設計育種的技術(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)區育種單位及國內影響力較大的相關(guān)企業(yè)等，從科學(xué)研究、品種開(kāi)發(fā)與選育、重大品種推廣等各個(gè)方面深入協(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(zhuān)家表示，項目通過(guò)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(jiǎn)栽培的重大新品種并推廣應用，提高了糧食生產(chǎn)水平和競爭力，推動(dòng)了良種對增產(chǎn)的貢獻率。

李家洋總結，具體來(lái)看，項目的攻關(guān)過(guò)程可分為三個(gè)階段。

“第一階段是水稻重要農藝性狀關(guān)鍵基因的克隆與鑒定。”李家洋說(shuō)。目前我國水稻功能基因組學(xué)研究世界領(lǐng)先，涌現了一大批重要成果，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的克隆及其分子調控網(wǎng)絡(luò )的解析，稻米品質(zhì)形成的調控網(wǎng)絡(luò )的解析等。

“第二階段是水稻分子設計育種技術(shù)體系的建立及代表性品種的培育。”李家洋表示，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(diǎn)， 在2014年和2015年的國家單季晚粳組區試及2016年生產(chǎn)實(shí)驗中，產(chǎn)量連續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、適應性廣等優(yōu)點(diǎn)。

“第三階段是水稻品種的示范推廣。”李家洋介紹，嘉優(yōu)中科6號及中科發(fā)5號分別在安徽與吉林進(jìn)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(guò)50萬(wàn)畝。

新品種預計每畝增產(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。

數據顯示：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(cháng)(長(cháng)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、內蒙古共布置了40多個(gè)百畝以上示范片，示范總面積超過(guò)2萬(wàn)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、抗倒伏等農藝性狀中表現突出，株型、粒型等外觀(guān)優(yōu)異，品質(zhì)優(yōu)良，口感更佳。同當地主栽品種相比，中科發(fā)5號預計增產(chǎn)100公斤/畝以上;稻瘟病抗性和抗倒伏等抗逆性強，可減少災害損失30%;整精米率比當地主栽?xún)?yōu)質(zhì)品種提高8%以上，新品種帶來(lái)的經(jīng)濟和社會(huì )效益將日趨凸顯。”李家洋說(shuō)。

“2020年是中科發(fā)5號進(jìn)行正式推廣種植的第一年。雖然受到疫情的影響，但農民對該品種認可度非常高。”李家洋表示，中科發(fā)5號第一年推廣面積即超過(guò)了40萬(wàn)畝，具有快速增長(cháng)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)與當地實(shí)際結合

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

“首先是理論創(chuàng )新。”李家洋認為，我國水稻基礎科研引領(lǐng)世界，這為水稻育種提供了關(guān)鍵理論基礎與遺傳資源。我國水稻科學(xué)家克隆了一批重要的農藝性狀基因，為后續的水稻分子設計育種創(chuàng )造了基礎。

“其次是技術(shù)創(chuàng )新。”李家洋強調，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，并結合常規育種方法，可以有效突破常規育種的局限性，尤其克服了在選育品質(zhì)、抗病蟲(chóng)和抗逆、養分高效利用等性狀時(shí)效率低，育種周期長(cháng)等問(wèn)題，大大提高了育種效率，加快品種換代。

“第三是結合實(shí)際。”李家洋解釋?zhuān)吕碚撆c新技術(shù)要與實(shí)際相結合，解決當地品種的關(guān)鍵問(wèn)題。我國幅員遼闊，水稻種植區非常多，主栽品種也非常多，各個(gè)地區的主栽品種所面臨的自然條件與災害都不同，將新理論與新技術(shù)與當地的實(shí)際相結合，幫助當地品種升級換代。

“項目發(fā)揮了各單位優(yōu)勢，貫徹分子設計育種理念，重點(diǎn)突破主要糧食作物的品種設計育種等核心技術(shù)，獲得具有育種利用價(jià)值和知識產(chǎn)權的重大新基因，開(kāi)發(fā)在育種中有實(shí)際應用價(jià)值的分子標記，建立高效可行的糧食作物分子設計育種技術(shù)體系。”李家洋說(shuō)。

◎本報記者 馬愛(ài)平

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