不久前,第19屆國際植物學(xué)大會活動之一的“2017年國家自然科學(xué)基金委員會與國際水稻研究所聯(lián)合研討會”,在廣東深圳舉辦。一種基于生物分子育種技術(shù)的“未來水稻”,受到廣泛關(guān)注。
不久前,第19屆國際植物學(xué)大會活動之一的“2017年國家自然科學(xué)基金委員會與國際水稻研究所聯(lián)合研討會”,在廣東深圳舉辦。一種基于生物分子育種技術(shù)的“未來水稻”,受到廣泛關(guān)注。
“未來水稻”是在充分利用成熟的常規(guī)育種技術(shù)和水稻雜種優(yōu)勢基礎(chǔ)上,對水稻某些重要農(nóng)藝性狀施以基因技術(shù)為核心的分子設(shè)計育種,讓水稻育種更具針對性,使水稻個別性狀改良育種周期更短,從而培育出升級版的“超級稻”。
換言之,“未來水稻”時代,是個增加了分子生物學(xué)技術(shù)“工具”的育種時代,能促使水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等的全方位、大幅度提升。這種讓人充滿想象力的“新品”,究竟在多遠(yuǎn)的未來?用分子技術(shù)育種“未來水稻,是每個育種科學(xué)家都要思考的重大方向。目前,國際上很多專家都在通過研究未來氣候變化、人類對水稻食用的需求等因素,來預(yù)測未來水稻需具有或應(yīng)改良的優(yōu)良性狀。未來水稻代表研究方向,但不是某個具體的新水稻類型,或獨立概念?!?月25日,中國工程院院士袁隆平團隊核心育種專家鄧啟云表示。
作為超級稻二、三、四期百畝片攻關(guān)成功品種的培育者,鄧啟云是利用水稻亞種間雜種優(yōu)勢和形態(tài)改良,通過常規(guī)方法育種的杰出代表之一。在他看來,“未來水稻”涉及的生物分子育種技術(shù),是先進技術(shù)。不過,目前并不能完全支撐水稻育種改良。應(yīng)用最多、最有效的,是針對水稻植株個別簡單遺傳性狀,如針對水稻稻瘟病、白葉枯病等抗病性進行抗性基因改良的“分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)”。
“常規(guī)育種并非生物分子育種技術(shù)的對立面。我們的育種實踐中也在逐步使用分子生物學(xué)家研究開發(fā)的前沿技術(shù),比如分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)進行稻瘟病抗性改良,并培育出了可市場化的水稻品種。我們也在做基因編輯應(yīng)用于育種的探索?!编噯⒃普f。
不過,他強調(diào),“分子育種”中,“分子技術(shù)”只是實現(xiàn)育種的手段,落腳點一定要在“育種”上。“最終目標(biāo)是為農(nóng)民提供品質(zhì)更好、抗病抗風(fēng)險能力更強、環(huán)境更友好、產(chǎn)量更高的水稻品種。分子育種更應(yīng)該由有經(jīng)驗、懂市場的育種家引導(dǎo),分子生物學(xué)家參與,共同推進新技術(shù)在育種領(lǐng)域的發(fā)展。”鄧啟云表示,作為農(nóng)作物改良非常成熟的常規(guī)雜交育種技術(shù),尚有產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀方面的提升潛力?!安贿^,分子育種技術(shù)隨著水稻基因組基因解析的不斷充實和完善,并充分利用成熟的現(xiàn)代雜交育種技術(shù)體系(而不是拋棄),必將為水稻增產(chǎn)提質(zhì)帶來很大潛力?!北憩F(xiàn)型數(shù)據(jù)資源共享成期待中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員徐建龍介紹,生物育種技術(shù)廣義上分為分子標(biāo)記輔助選擇育種和轉(zhuǎn)基因育種兩大類。其中,分子標(biāo)記輔助選擇育種,針對農(nóng)作物主要性狀進行改良。在改變農(nóng)作物單個或少數(shù)抗性性狀上,應(yīng)用較為有效。
另一大類,則是轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)。其中派生出了基因組編輯技術(shù)?!盎蚓庉嬘N,雖然利用了轉(zhuǎn)基因技術(shù),卻并不含轉(zhuǎn)基因成分?!毙旖堈f。
生物育種領(lǐng)域,讓人注目的,還有2015年,我國公開免費共享的3000份綠色超級稻基因組原始測序數(shù)據(jù),覆蓋了全球25萬份種質(zhì)基因全部遺傳變異的95%。
中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所研究員黎志康也表示,將這3000份數(shù)據(jù)帶入水稻育種應(yīng)用中,將為水稻育種創(chuàng)新提供材料和新思路,對數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,還將填補人們對水稻甚至各個物種在基因組學(xué)方面的知識空缺。
然而,這也只是邁出的關(guān)鍵一步。國家千人計劃特聘專家、華智水稻生物技術(shù)有限公司李繼明博士表示,3000份資源測序?qū)崿F(xiàn)了序列信息共享。但更困難和重要的工作,是將這3000份資源的各項表現(xiàn)型數(shù)據(jù),如抗病蟲、抗逆、米質(zhì)等,進行協(xié)調(diào)收集與共享,才能充分發(fā)揮測序資源的作用。
徐建龍稱,盡管目前明晰了“序列”,但尚無法“確定”基因。表型測量現(xiàn)為人工田間測量,工作量極大。但采用全基因組育種,則相對容易。不過,它成本高昂,超出了國內(nèi)現(xiàn)有多數(shù)企業(yè)的成本承受和考慮范疇。而我國亟待將種業(yè)做大做強,加速開展此類研究。
升級版“超級稻”研究正興起盡管“未來水稻”的未來還很遙遠(yuǎn),但我國科研人員也在此領(lǐng)域取得了一些研究進展。譬如,中國農(nóng)科院中國水稻所、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所,與中國農(nóng)科院深圳基因組所三方合作,以基因組測序的日本晴和9311為優(yōu)良目標(biāo)基因供體,對涉及水稻產(chǎn)量、稻米外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)、生態(tài)適應(yīng)性等28個優(yōu)良目標(biāo)基因主動設(shè)計,以綜合品質(zhì)差的超高產(chǎn)品種特青作為優(yōu)良基因受體,定向選擇培育出廣兩優(yōu)7203和廣兩優(yōu)7217等國審新品種子。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所姚善國研究組,致力于東北粳稻多基因組裝設(shè)計育種研究,以歷史栽培面積最大的品種空育131為底盤,通過全基因組深度測序,發(fā)掘了系列相關(guān)性狀優(yōu)良等位變異,并以空育131為基礎(chǔ),培育出了水稻新品種中科902。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋、高彩霞兩課題組,利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)和高通量寡核苷酸芯片合成技術(shù),對水稻全基因組進行大規(guī)模編輯,成功實現(xiàn)了水稻突變體的高通量快速構(gòu)建和功能篩選。這既是獲得水稻重要突變體和快速克隆對應(yīng)基因的有效方法,也能為水稻遺傳改良和分子設(shè)計育種提供重要途徑。
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