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我分子设计育种技术取得重大突破性进展

来源:光明日报 作者:齐芳 2017-11-02 13:46:19
内容摘要: 我国科学家突破传统育种技术,走出了分子育种的新路,为保障我国粮食安全提供核心战略支撑。

江苏省沭阳县青伊湖农场正在收割运用“分子模块设计”技术育成的水稻新品种嘉优中科1号。本报记者 齐芳摄/光明图片

  天高云淡、风吹稻浪,温暖的秋阳中,江苏省沭阳县青伊湖农场迎来了水稻丰收——由中国科学院遗传发育所李家洋研究组与浙江省嘉兴市农业科学院李金军研究组合作,运用“分子模块设计”技术育成的水稻新品种“嘉优中科系列新品种”获得了丰收,种植嘉优中科1号水稻品种的两块田实收测产表明,平均亩产分别为913公斤和909.5公斤,比当地主栽品种亩产增产200公斤以上。

  这也意味着我国科学家突破传统育种技术,走出了分子育种的新路,为保障我国粮食安全提供核心战略支撑。

  嘉优中科系列水稻:

  找到水稻质与量的“黄金分割点”

  自然界总有它的法则,农作物的质与量的优势往往不可兼得。对水稻来说,高产的往往有品质差、抗病虫害能力低的问题,但这些性状好的水稻却常常不会太高产。长江中下游稻区就遇到了这个问题——近20年来,长江中下游地区水稻产量进入一个缓慢增长期,主要表现为产量与早熟、品质、抗病虫和抗逆性等其他优良性状之间的矛盾、品种退化等问题。在目前高产栽培条件下,这种矛盾越来越突出。

  在这种情况下,科学家们一直在思索:究竟能不能找到水稻质与量的“黄金分割点”,让综合能力达到最佳?

  项目主要完成人、中国科学院院士李家洋介绍,运用分子模块设计育种的理念和技术,科学家们经过精心的杂交“设计”,育成了具有超高产、早熟和抗稻瘟病的嘉优中科系列水稻新品种,1号、2号、3号三个杂交粳稻新品种分别通过2016年上海市、江西省和浙江省审定,后续新组合也正在参加国家及不同省的区试。

  在江苏沭阳种植的就是嘉优中科1号。在不增加任何成本的条件下,它比当地主栽品种亩均增产200公斤以上,按每公斤稻谷2.8元计,农民每亩可增收560元以上。李家洋说:“嘉优中科系列品种具有理想株型的超级稻株叶形态及高产、多抗、早熟、矮秆抗倒的优点,适宜在长江中下游稻区种植,在长江以北可作一季中稻,在长江以南可作单季晚稻或连作晚稻。”

  或许这一点就是水稻质与量的“黄金分割点”:这些品种既实现了水稻超高产和抗性提升的完美结合,又实现了水稻种植区域北移,在长江中下游地区有着广阔的推广前景。

  分子模块设计育种:

  突破传统育种技术的成功探索


  中国幅员广阔,水稻种植北至黑龙江、南至海南岛,不同地区气候、水资源、病虫害等条件不同,需要培育不同的品种。例如,在黑龙江种植的水稻需要茎秆较粗弹性强的品种以增加抗倒伏能力,在长江中下游地区种植的水稻或许需要更强的抗病虫害的能力。但传统的杂交育种方式周期长,育成一个新品种往往需要10年以上,而且面临着品种间遗传多样性狭窄、效率低等问题。

  科学家们一直在思索:能不能找到水稻基因和性状的对应关系,按照需求的不同,设计出不同的水稻新品种?

  这就是“分子模块设计育种”。中科院遗传发育所副研究员刘贵富说:“这不是转基因技术。简单地说,转基因技术是通过基因转化技术将外源基因转到待改良或目标材料中,但分子模块设计育种中所需要的所有基因都是水稻基因,只是通过分子技术手段进行检测,来决定哪些基因是我们需要的、哪些基因是不需要的。”

  李家洋解释,简而言之,科学家们首先了解水稻不同基因对应的不同性状,以及不同基因耦合可能产生的性状。然后将这些基因根据需要进行相对精确的重新组合,得到我们需要的品种——这就像搭积木,我们有针对性地选择需要的积木,更快更好地搭建出需要的建筑。

  分子育种不仅仅适用于水稻。2013年8月,中科院启动战略性先导科技专项“分子模块设计育种创新体系”,包括遗传发育所、植物所、动物所、水生所等多个研究所的2100多名科研人员参与到这个大课题中,以水稻为主,小麦、鲤鱼等为辅,解析复杂性状分子调控网络,阐明其相互效应,预计将获得16~20个具有育种价值的分子模块和12~15个主效分子模块系统,建立模块耦合组装的理论和应用模型,实现高产、稳产、优质、高效多模块的有效组装,培育水稻、鲤鱼等产量显著提高的新品种10~15个,创建新一代超级品种培育的系统解决方案和育种新技术。

  “与发达国家相比,我国农业育种技术还有差距,需要我们创新育种理念,补上短板。”李家洋介绍,日前我国科学家在《细胞》《科学》《自然》等国际学术期刊上发表了大量水稻基础研究论文,标志着我国科学家在现代育种理论上已经走在世界前列,未来将更多致力于育种实践:“我们今天的成果还是阶段性、初步性的成果,我们要把这种先进育种理念变成更多产品,保障我国粮食安全。”

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