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“未来水稻”:你在多远的未来?
中国种子网  2017-07-28 11:54:12   来源:科技日报   【

 


 “未来水稻”时代,是个增加了分子生物学技术“工具”的育种时代,能促使水稻产量、品质、抗性等的全方位、大幅度提升。

  不久前,第19届国际植物学大会活动之一的“2017年国家自然科学基金委员会与国际水稻研究所联合研讨会”,在深圳举办。一种基于生物分子育种技术的“未来水稻”,受到广泛关注。

  据称,“未来水稻”是在充分利用成熟的常规育种技术和水稻杂种优势基础上,对水稻某些重要农艺性状施以基因技术为核心的分子设计育种,让水稻育种更具针对性,使水稻个别性状改良育种周期更短,从而培育出升级版的“超级稻”。

  换言之,“未来水稻”时代,是个增加了分子生物学技术“工具”的育种时代,能促使水稻产量、品质、抗性等的全方位、大幅度提升。这种让人充满想象力的“新品”,究竟在多远的未来?科技日报记者就此采访了多位业内专家。

  “分子技术”落脚点必须在“育种”上

  “未来水稻,是每个育种科学家都要思考的重大方向。目前,国际上很多专家都在通过研究未来气候变化、人类对水稻食用的需求等因素,来预测未来水稻需具有或应改良的优良性状。未来水稻代表研究方向,但不是某个具体的新水稻类型,或独立概念。”7月25日,中国工程院院士袁隆平团队核心育种专家邓启云向科技日报记者表示。

  作为超级稻二、三、四期百亩片攻关成功品种的培育者,邓启云是利用水稻亚种间杂种优势和形态改良,通过常规方法育种的杰出代表之一。在他看来,“未来水稻”涉及的生物分子育种技术,是先进技术。不过,目前并不能完全支撑水稻育种改良。应用最多、最有效的,是针对水稻植株个别简单遗传性状,如针对水稻稻瘟病、白叶枯病等抗病性进行抗性基因改良的“分子标记辅助育种技术”。

  “常规育种并非生物分子育种技术的对立面。我们的育种实践中也在逐步使用分子生物学家研究开发的前沿技术,比如分子标记辅助育种技术进行稻瘟病抗性改良,并培育出了可市场化的水稻品种。我们也在做基因编辑应用于育种的探索。”邓启云说。不过,他强调,“分子育种”中,“分子技术”只是实现育种的手段,落脚点一定要在“育种”上。“最终目标是为农民提供品质更好、抗病抗风险能力更强、环境更友好、产量更高的水稻品种。单一研究分子生物学的科学家,很难培育出可产业化的品种。分子育种更应该由有经验、懂市场的育种家引导,分子生物学家参与,共同推进新技术在育种领域的发展。”

  此外,超级稻常规育种,已建立起可成功利用杂种优势的三系法、两系法育种体系。但目前,分子育种尚未创造出大规模应用的新育种途径。邓启云表示,作为农作物改良非常成熟的常规杂交育种技术,尚有产量、品质等性状方面的提升潜力。“不过,分子育种技术随着水稻基因组基因解析的不断充实和完善,并充分利用成熟的现代杂交育种技术体系(而不是抛弃),必将为水稻增产提质带来很大潜力。”

  表现型数据资源共享成期待

  中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员徐建龙介绍,生物育种技术广义上分为分子标记辅助选择育种和转基因育种两大类。其中,分子标记辅助选择育种,针对农作物主要性状进行改良。在改变农作物单个或少数抗性性状上,应用较为有效。而在这类辅助选择育种中,全基因组选择育种则较为“上乘”,是常规分子辅助育种的“升级版”,针对的是数量性状改变。但数量性状易受环境影响,需同步改变多个基因选择。因此,难度较大。“真正的全基因组选择技术,目前的应用效果并不太好。它的育种成本也很高。国外种业企业如美国孟山都等,已开始应用并初见成效。国内仍在研究探索阶段。”

  另一大类,则是转基因育种技术。其中派生出了基因组编辑技术,这是通过对生物基因组特定靶位点进行定向改变的新技术,被喻为“遗传手术刀”,在农作物分子遗传改良育种上已呈现出广阔的应用前景。“基因编辑育种,虽然利用了转基因技术,却并不含转基因成分。”徐建龙说。不过,他表示,在我国实现全基因组选择育种等,仍有很长的路。

  生物育种领域,让人注目的,还有2015年,我国公开免费共享的3000份绿色超级稻基因组原始测序数据,覆盖了全球25万份种质基因全部遗传变异的95%。当年,一位超级稻科研工作者接受科技日报记者采访时曾表示,该基因数据库资源至少有两方面用途:从基因库调取数据,研究目标基因的分布、进化和功能;分析基因组间多态性位点,并开发分子标记,甚至是可用于分子育种的基因芯片。

  中国农科院作物科学研究所研究员黎志康也表示,将这3000份数据带入水稻育种应用中,将为水稻育种创新提供材料和新思路,对数据的分析结果,还将填补人们对水稻甚至各个物种在基因组学方面的知识空缺。

  然而,这也只是迈出的关键一步。国家千人计划特聘专家、华智水稻生物技术有限公司李继明博士表示,3000份资源测序实现了序列信息共享。但更困难和重要的工作,是将这3000份资源的各项表现型数据,如抗病虫、抗逆、米质等,进行协调收集与共享,才能充分发挥测序资源的作用。

  徐建龙称,尽管目前明晰了“序列”,但尚无法“确定”基因。表型测量现为人工田间测量,工作量极大。但采用全基因组育种,则相对容易。不过,它成本高昂,超出了国内现有多数企业的成本承受和考虑范畴。而我国亟待将种业做大做强,加速开展此类研究。华智水稻生物技术有限公司正积极申报湖南省全基因组重点实验室,助推全基因育种研究发展。

  我国升级版“超级稻”研究正兴起

  尽管“未来水稻”的未来还很遥远,但我国科研人员,也在此领域取得了一些研究进展。譬如,中国农科院中国水稻所、中国科学院遗传与发育生物学研究所,与中国农科院深圳基因组所三方合作,以基因组测序的日本晴和9311为优良目标基因供体,对涉及水稻产量、稻米外观品质、蒸煮食味品质、生态适应性等28个优良目标基因主动设计,以综合品质差的超高产品种特青作为优良基因受体,定向选择培育出广两优7203和广两优7217等国审新品种子

  中国科学院遗传与发育生物学研究所姚善国研究组,致力于东北粳稻多基因组装设计育种研究,以历史栽培面积最大的品种空育131为底盘,通过全基因组深度测序,发掘了系列相关性状优良等位变异,并以空育131为基础,培育出了水稻新品种中科902。

  中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋、高彩霞两课题组,利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术和高通量寡核苷酸芯片合成技术,对水稻全基因组进行大规模编辑,成功实现了水稻突变体的高通量快速构建和功能筛选。这既是获得水稻重要突变体和快速克隆对应基因的有效方法,也能为水稻遗传改良和分子设计育种提供重要途径。

作者:俞慧友    来源:科技日报     编辑:bianji2    讨论:[农业论坛]
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