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幸运28:“国家队”的育种革命

“国家队”的育种革命

  产量上去了,米的品质不一定好;好吃的米,不一定抗病虫害……到底世界上有没有完美无缺的水稻呢?

  这是中科院院士、中科院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋一直在思考的问题。多年来,李家洋团队一直在试图通过科技的手段,寻找种出“完美”水稻的方法。

  10月30日至31日,中科院遗传发育所在江苏省沭阳县青伊湖农场组织专家组对手工栽插田块和直播田块的“嘉优中科”1号水稻进行了实收测产,平均亩产分别达913公斤和909.5公斤,并对1.4万多亩“嘉优中科”1号田块进行了考种,平均理论亩产可达900公斤。

  站在丰收的试验田里,李家洋感到,他们为之奋斗了数年的梦想,正在“照”进现实。

  常规育种的尴尬

  我国是一个农业大国,水稻、小麦等主要作物的持续稳定生产,对保障我国粮食安全和农业可持续发展具有重大的现实和战略意义。

  自古以来,长江中下游稻区就是我国水稻主产区之一,历史上一直是水稻育种水平和生产水平非常高的地区。

  “但近20年来,该地区水稻产量进入一个缓慢增长期。”中科院遗传发育所所长杨维才说,“主要表现为产量与早熟、品质、抗病虫害和抗逆性等其他优良性状之间的矛盾,尤其在目前的高产栽培条件下,个体和群体的矛盾、产量和生育期的矛盾更加突出。”

  与此同时,常规育种也遭遇了发展瓶颈。面临育种周期长(一般需要10年左右)、品种间遗传多样性狭窄、效率较低、存在盲目性和经验性等问题,农业科技工作者已经越来越难选育出突破性的优异品种。

  幸而,基因组学、幸运28计算生物学、系统生物学、合成生物学等新兴学科在近年来的快速发展,为解析生物复杂性状的遗传调控网络带来了机遇,也为育种技术的创新带来了新的希望。

  种出一棵“完美”水稻

  2013年8月,中科院战略性先导科技专项(A类)“分子模块设计育种创新体系”启动。通过4个项目、12个课题、64子课题和144个任务专题,2100多名科学家试图利用最新的科技手段,掀起一场育种革命。

  “农业要做得好,种业是关键。”李家洋说,“一颗种子看起来很小,但要真正把它做好并不容易,具有很高的科技含量。我们感到,中科院作为国家农业科技方面的一支重要战略力量,有责任在传统育种技术革新的进程中发挥作用。”

  在先导专项的支持下,李家洋团队与浙江省嘉兴市农业科学院合作,针对长江中下游稻区水稻品种单产长期徘徊不前、品质较差、抗病性弱、主栽品种退化严重等问题,运用“分子模块设计”育种的理念和技术,经过精心设计,育成了具有超高产、早熟和抗稻瘟病的“嘉优中科”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,同时“嘉优中科”系列后续新组合也正在参加国家及不同省份的区试。

  今年,李家洋团队与江苏当地企业合作,在青伊湖农场布置了“嘉优中科”1号1.4万多亩示范片及“嘉优中科”系列品种的小面积示范,并向周围辐射了近8万亩的种植面积。

  “嘉优中科”系列是具有引领作用的模块新品种,在普通农民眼中,它们是水稻中的“尤物”。这些新品种不仅具有理想株型超级稻株叶形态,还集高产、多抗、早熟、矮秆抗倒等优点于一身。它们既实现了水稻超高产和抗性提升的完美结合,又实现了种植区域北移,在长江中下游地区有着广阔的推广前景。

  用工业设计的方法种粮

  用李家洋的话说,“分子模块设计”就像组装一台电脑。通俗地说,人们想要什么幸运28样的水稻,育种专家就可以把相关的水稻基因模块组合在一起,培育出满足需要的种子,“就跟在工厂里生产工业产品一样方便”。

  与常规育种技术相比,“分子模块设计”育种不仅克服了育种周期长、偶然性大和育种效率低下等缺点,还可以对当前品种的缺点进行精确改良,实现多个优良性状的聚合。李家洋希望,随着项目的进一步推进,未来有望针对特殊人群,比如糖尿病人等,培育出满足个性化需求的水稻。

  专项实施4年来,已初步建立了从“分子模块”到“设计型品种”的现代生物技术育种创新体系,是颠覆传统育种技术的大胆实践和成功探索。未来除水稻外,还将针对小麦、鲤鱼等农副产品,实现高产、稳产、优质、高效多模块的有效组装,创建新一代超级品种培育的系统解决方案和育种新技术,为保障我国粮食安全提供核心战略支撑。

  就像中科院植物所党委书记种康说的那样:“我们的目标不是仅仅培育几个新品种,而是要在理论上有突破,幸运28促进传统育种技术体系的升级换代,引领分子育种,保障国家粮食安全。”

  (原载于《中国科学报》 2017-11-01 第1版 要闻)