“分子设计育种”带来的盛宴

  近年来,中国科学院东北地理与农业生态研究所紧跟国际科技前沿,前瞻谋划、科学布局,承担了一系列国家重大项目,服务国家和地方的能力不断增强,作为东北区域农业研究中心的地位日益凸显。即日起,《中国科学报》推出该所承担的国家重大项目系列报道,集中展示这些项目实施以来取得的丰硕成果和宝贵经验。

  ■本报记者秦志伟

  现在,越来越多的人终于理解“主要经济作物分子设计育种”项目团队的价值所在了。

  该项目由中国科学院东北地理与农业生态研究所(以下简称东北地理所)牵头,冯献忠研究员担任首席科学家。从2007年起,冯献忠就带领团队率先在国内建立大豆突变体数据库和从事大豆分子设计育种工作,但这些做法在当时遭到不少质疑甚至反对。

  然而,当这些做法在国家重点研发计划“主要经济作物分子设计育种”项目中得到不断验证后,质疑化为期待,蹊径正在变为通途。这是来自全国17家单位、320余名科研人员集体的力量,他们瞄准大豆、棉花、辣椒、油菜等主要经济作物,贡献出了一场设计育种的盛宴。

  项目来之不易

  最开始,冯献忠及其团队成员对是否申请国家重点研发计划项目并没有十足的把握。冯献忠告诉《中国科学报》,鉴于实际情况,他们当时只想传播一个理念,“让别人知道我们理解的分子设计育种是什么样的”。

  在他看来,分子设计育种是利用分子生物学和系统生物学关于基因功能和生物性状分子调控网络知识设计和改良作物品种,可以成为未来育种的一个发展方向。

  冯献忠最初从事植物分子遗传学研究,在国外留学期间主要进行系统生物学和计算生物学的研究,因此在育种家的眼里,他是一个行外人。但在冯献忠看来,任何物种都由基因决定,只要掌握了基因的功能,就可以如同下棋一样,通过协调不同基因进行作物品种的设计培育。

  长期以来,大豆育种大多采用常规育种方式,就是育种家凭借经验,做大量的杂交组合,把多个优良性状的基因聚合到一起。“这么做不仅难度大,而且还有可能引入不好的性状,比较耗费时间。”项目组成员、东北地理所研究员李艳华告诉《中国科学报》。

  这位被豆农亲切称为“金豆娘娘”的科学家加入项目组后发现,分子设计育种技术能够把大豆的不同优良性状有目的地结合到一起,从而加速了育种进程。

  突变体是分子生物学了解基因功能的重要工具,冯献忠团队10多年前就在国内率先建立突变体数据库,目前建立40万个株系的大豆突变体,成为世界上最大的大豆突变体库,以及大豆分子设计育种的元件库和基因资源库。

  2013年,冯献忠来到东北地理所,恰好赶上中国科学院启动战略性先导科技专项“分子模块设计育种创新体系”,这让他及其团队有了难得的探索、打磨、积淀的契机。

  虽然东北地理所非常支持冯献忠团队申报“主要经济作物分子设计育种”项目,但他却显得异常谨慎,因为主要经济作物分子设计育种当时仍主要停留在理论研究层面,并非主流。项目申报前,国内同行提醒他要考虑清楚国内的现状。出乎意料的是,评审专家和科技部最终批准了他们的项目申报方案。

  因此,每次项目组开会时,冯献忠都会反复强调,“项目是国内同行将自己碗里的饭无私地给予咱们的,一定要对得起国家的信任和同行的支持,让每一分钱的效益大于一分钱”。

  研究亮点频出

  “中期考核结束后,项目各方面都达到预期目标。”冯献忠说。几年下来,通过分子设计育种选育出高产优质的大豆、棉花、辣椒、黄瓜等近40个新品种,品种推广1200万亩,经济效益超过10亿元,超额完成项目考核指标。

  ——获得育种可利用分子标记131个;

  ——获得控制重要农艺性状的功能基因和位点63个,可用分子育种方案99个;

  ——建立了大豆基因定点整合技术及基因删除技术,建立了棉花基因定点整合技术及断裂的Cre重组酶活性重建技术,建立油菜基因敲除技术等。

  分子设计育种平台的创建是项目实施以来的一大亮点。科研人员集中收集大豆、棉花、黄瓜、辣椒等主要经济作物的数据,分析并获得目标基因及分子标记,再通过分子标记的模拟与组合,设计出高产、优质、抗逆、营养高效利用、多性状改良聚和等育种方案。

  据悉,该平台是目前唯一能够集成高通量数据分析与全基因选择育种工具的平台,已有多个国内的育种企业试用。

  袁隆平农业高科技股份有限公司(以下简称隆平高科)、塔河种业等优势育种企业的参与,为项目顺利实施,尤其在成果转化上提供了重要的帮助。

  “大部分科研项目是‘你给钱,我才干活’,这是比较正常的现象。”冯献忠告诉《中国科学报》,隆平高科尝到利用分子设计育种平台带来的甜头后,自己出钱请上游为其做分子标记,进行新品种选育,把原来的课题行为变成了企业行为,有力推动了研究成果的转化。

  以其培育的朝天辣椒新品种为例,2018年该系列品种在云南、河南、贵州推广30万亩以上,新增经济效益达2.4亿元,促进了当地辣椒产业结构升级,为乡村振兴和精准扶贫提供了强有力的科技支撑。

  助力解决“卡脖子”问题

  回想起项目启动之初“指点江山”的激情,现在的冯献忠早已没有了原来踌躇满志的样子,他描述自己的状态是“脚踏实地解决实际问题”。

  事实上,育种实践中出现的问题的复杂程度已经远远超出了科学家的猜想,让科研成果真正成为农民增收的品种一直是项目组的工作重点。

  不负初心,一件件令人高兴的事也接踵而来。

  2018年,由项目组培育的大豆新品种“合农91”创造的亩产423.77公斤的全国大豆单产纪录,将我国大豆单产纪录提高2.4公斤。2019年,利用分子设计育种技术定向改良的“合农71”大豆新品种亩产447.47公斤,将我国大豆单产纪录又提高了23.7公斤,标志着我国大豆育种水平达到了新的高度。

  大豆产量一直是育种家最关心的目标之一。当前我国大豆平均单产不足130公斤/亩,而美国和巴西等大豆主产国平均单产达230~240公斤/亩。“我国大豆85%以上依靠进口,重大品种和技术的创新,是解决大豆‘卡脖子’问题的重要科技储备。”冯献忠说。

  一直以来,我国大豆育种主要是依靠个体产量的提升来提高单产。在国家重点研发计划项目的支持下,冯献忠团队提出了通过提升群体产量增加我国大豆产量的方案,目前已经在“合农91”和“合农71”两个品种上看到实效。这正是分子设计育种技术带来的育种思路的转变。

  “分子设计育种技术是我们的优势,使其为国家重大战略服务也是我们承担国家重大科研任务的职责。”冯献忠强调。目前,冯献忠团队和中国科学院种子创新研究院的科研人员正在和巴西、俄罗斯以及非洲等国家相关部门合作,组织实施“全球大豆改良计划”,为保障世界大豆安全供给提供“中国方案”。

  冯献忠坚信,随着更多实实在在的研究成果和品种的应用和推广,分子设计育种技术在主要经济作物育种中发挥的作用会越来越大。

  《中国科学报》(2019-12-23第1版要闻)

  来源:科学网

你可能感兴趣的文章
“张衡一号”卫星数据加入全球地磁场参考新模型

科技日报北京1月14日电(记者李艳)14日,记者从中国地震局获悉,元旦前夕,国际地磁与高空物理联合会发布新一代全球地磁场参考模型IGRF-13。该模型由来自美国、英国、法国、丹麦、德国、俄罗斯、中国等国家的12个入选模型计算得到,“张衡一号”卫星数据也加入其中。   中国地震局地壳应力研究所总工程师、“张衡一号”卫星工程首席科学家申旭辉介绍,2018年初,“张衡一号”卫星顺利发射入轨并在轨稳定运行,首次获取了中国首批完全自主知识产权的全球地磁场等观测数据。仅利用该卫星自发射至2019年9月共19个月

科普博览 2020-01-15
新研究发现中国家族性阿尔茨海默病遗传规律

科技日报讯(实习记者代小佩)北京宣武医院贾建平教授团队近日在《阿尔茨海默病和老年痴呆症》杂志在线发表一项研究。该研究对404个中国家族性阿尔茨海默病(FAD)家系进行了17年的追访,系统揭示了这一疾病的遗传规律,为中国阿尔茨海默病(AD)的遗传学干预和基因治疗提供了理论基础。   据悉,FAD十分罕见,但它集中了阿尔茨海默病所有病理生理特点,成为研究发病机制最佳人群。自1906年第一例阿尔茨海默病

科普博览 2020-01-15
最高科技奖得主黄旭华:为国“深潜”的这一生

1988年初,我国完全自主研发的核动力潜水艇(以下简称“核潜艇”)迎来了第一场“大考”——在南海进行极限深潜试验。这是有风险的——20多年前,美国一艘核潜艇在进行极限深潜试验试时因事故沉没,艇上100余人无一生还。   紧张的气氛在参试人员之间蔓延,有人甚至开始写近似“遗嘱”的家书。“带着沉重的思想包袱去执行深潜试验,那是非常危险的。”中国核潜艇总设计黄旭华在得知这一情况后,耐心安抚参试人员,给他们鼓劲,还当场宣布上艇与大家一起下潜

科普博览 2020-01-15
黄大年:对待科学很“任性”

黄大年说“我没有敌人,也没有朋友,只有国家利益”。   那是2010年春天的一个早上。   “怎么回事?小王,你催过了吗?”听得出黄大年有些烦躁。   “都催过了,黄老师!”生前秘书王郁涵偷偷瞄了眼墙上的表,9时50分了,离开会还有10分钟,人没到齐,材料也没交齐。   黄大年愤怒地将手机砸向地面,手机屏幕摔了个稀碎。王郁涵说从来没见他生那么大气。   “我们拿了

科普博览 2020-01-15
胃真的能越饿越小?

不少减肥的人第一步往往就是——饿着自己,认为饿着饿着就会把胃饿小了。   的确,很多人都会发现:吃得多了,胃会变大,饭量也会变大。少吃几顿,饭量就会变小,多吃几口就有了饱腹感。难道我们的胃真的会像气球一样越撑越大,越饿越小吗?这些真相你可能不知道......   胃真的会像气球一样变大变小?   胃是一个由多层肌肉构成的储存、消化食物的器官,在平时会处于一种轻度的收缩状态。   而胃的外层

科普博览 2020-01-15
美国发现世界最古老森林遗迹

新华社北京1月4日电一个国际团队近日在美国《当代生物学》杂志网络版上报告说,他们在美国纽约州东南部发现了距今约3.86亿年的古森林化石遗迹,这是迄今发现的世界上最古老森林的遗迹。   美国纽约州立大学宾厄姆顿分校和英国加的夫大学等机构研究人员组成的团队说,他们在纽约州东南部距今约3.86亿年的古生代泥盆纪中期地层中发现了这处古森林遗迹。距离此处40公里的一处森林遗迹此前被科学家认为是“最古老的”,而新发现的遗迹还

科普博览 2020-01-15
长江禁渔会留住下一个“白鲟”吗

近日我国农业农村部发布通告,称自2020年1月1日起,长江上游332个自然保护区和水产种质资源保护区全面禁止生产性捕捞;长江干流及重要支流最迟自2021年1月1日起实行暂定为10年的常年禁捕。   几乎与此同时,国际学术期刊《整体环境科学》在线发表《白鲟灭绝给长江生物保护留下了什么教训》(以下简称《白鲟灭绝》),该论文称,中国长江特有珍稀物种长江白鲟预计在2005~2010年时已灭绝。   “数罟不入洿池,鱼鳖不可胜食也。”长江曾是我国淡水鱼类资源最丰富的流域,如今,白鲟、白鳍豚、鲥鱼等长江特有鱼类已宣

科普博览 2020-01-15
新研究:小霸王龙不是“矮暴龙” 只是还没长大

新华社北京1月5日电关于本世纪初在美国西北部发现的两具“迷你版”霸王龙化石骨骼的分类,科学家一直有不同看法。美国研究人员分析这两具化石骨骼的微观结构认为,它们并不像此前某些人猜测那样属于一种名为“矮暴龙”的独特暴龙,而是尚未成年的霸王龙。   新研究还揭示了霸王龙的成长发育过程,相关论文发表在新一期美国《科学进展》杂志上。   霸王龙学名雷克斯暴龙,体长可达12米左右,头部长约1.5米,坚固的牙齿可以咀嚼骨头,是体型最粗壮的食肉恐龙。   本世纪初,美国伯比自然历史博物馆研究人员在蒙大拿州找到两具“缩小版”霸王龙化石骨骼,个头仅比役用马略高,身长约是

科普博览 2020-01-15
中国农科院将组织实施30项重大科技攻关

新华社北京1月8日电(记者董峻)中国农业科学院院长唐华俊8日表示,中国农科院将突出重大科学问题和前沿性、颠覆性、关键共性技术,建立“使命清单”,组织实施30项左右重大科技任务联合攻关,着力攻克一批农业科技基础前沿和关键核心技术。   唐华俊在当天举行的中国农业科学院2020年工作会议上说,目前我国农业科技进步贡献率已达59.2%,但与国际先进水平相比仍存在较大差距。如,作物基因编辑、生物合成、干细胞育种、信息技术等前沿领域缺乏自主知识产权,关键核心

科普博览 2020-01-15
人类胚胎早期发育的黑匣子正在缓缓打开?

人的生命起源于早期胚胎,但人类胚胎着床后发育是怎样进行的?胎儿形成即原肠前人胚胎和多能干细胞的发育过程有没有图迹可循?科学家们一直在为这些生命难题找寻答案。   国际顶级期刊《自然》日前以长文形式在线发表了昆明理工大学灵长类转化医学研究院的李天晴教授和季维智院士等与云南省第一人民医院合作完成的一项研究成果,他们首次建立人胚胎三维培养系统,首次系统揭示了原肠前人胚胎和多能干细胞的发育过程。他们所绘制的分子和形态发育全景图,填补了相关领域的空白,为研究胚胎着床后早期发育建立

科普博览 2020-01-15