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分子设计育种让水稻高产又优质
2021-03-19 13:02:05来源:科技日报责编:韩东林

  原标题:在全基因组测序基础上,根据虚拟设计方案,聚合大量有益基因 分子设计育种让水稻高产又优质

【食品专题】分子设计育种让水稻高产又优质

视觉中国供图

  增产14.86%

  在2017年生产试验中,中科发5号平均亩产653.68千克,比对照品种增产14.86%,该品种穗大粒多、高产、优质、粒型长(长宽比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。

  农业现代化,种子是基础。2月21日,《中共中央 国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》,即2021年中央一号文件发布。文件强调要打好种业翻身仗,加强农业种质资源保护开发利用。

  科技日报记者从科技部中国农村技术开发中心获悉,国家重点研发计划“七大农作物育种”重点专项“水稻全基因组选择与高产优质品种设计育种”成果围绕水稻理想株型与品质形成的分子机理这一重大科学问题取得了一系列关键突破。

  “该成果创建了直接利用自然材料与生产品种进行复杂性状遗传解析的新方法;揭示了影响水稻产量的理想株型形成的关键基因和分子基础;阐明了稻米食用品质精细调控网络,用于指导优质稻米品种培育;培育了嘉优中科6号与中科发5号等标志性品种,成功实现了高产优质抗病抗倒等优良性状的高效聚合,示范了高产优质为目标的分子设计育种,为解决水稻产量品质协同改良的难题提供了有效策略。”成果所属项目负责人、中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋在接受科技日报记者采访时表示。

  可实现定向高效的精确育种

  “粮食安全与农业可持续发展是影响国计民生的重大问题,受到世界各国高度关注。在促进粮食增产的诸多科技因素中,作物品种改良最为重要。”李家洋指出。

  近年来,随着主要作物全基因组测序的完成,功能基因组学以及生物信息学的发展,一种新的育种理念——分子设计育种在世界范围内逐渐兴起,并成为引领作物遗传改良的前沿技术。

  分子设计育种即在全基因组序列的基础上,根据事先进行的虚拟基因组设计方案,通过优化选择最佳亲本基因组组合、杂交和分子标记选择等先进技术,聚合大量有益基因,从而培育高产、优质、高抗、高效的优良新品种。

  “与传统育种技术相比,分子设计育种能够实现从经验育种到定向高效的精确育种转变,大幅提高育种效率,是一种新的保障粮食安全的技术体系与途径。”李家洋表示。

  分子设计育种不仅能在很大程度上减少常规育种的盲目性,而且能够显著提高作物育种的效率,创造有重大育种利用价值的新材料,创制高产优质多抗新品种,对于保障粮食安全、实现农业可持续发展具有重要意义。

  因此,国家重点研发计划“七大农作物育种”重点专项部署了“主要粮食作物分子设计育种”项目。

  项目下设的“水稻分子设计育种”课题以水稻为对象,目标是通过分子设计育种的技术手段,围绕种质创新、育种新技术、新品种选育等科技创新链条,组织高水平研究单位、水稻主产区育种单位及国内影响力较大的相关企业等,从科学研究、品种开发与选育、重大品种推广等各个方面深入协同合作。

  形成新的作物育种技术体系

  项目攻关运用了哪些黑科技?对此,专家表示,项目通过基因聚合和全基因组筛选等技术创制了水稻的育种新材料和优异新种质,形成了新的高效作物育种技术体系,提高了新品种选育效率,培育出了高产、优质、抗逆和适宜轻简栽培的重大新品种并推广应用,提高了粮食生产水平和竞争力,推动了良种对增产的贡献率。

  李家洋总结,具体来看,项目的攻关过程可分为三个阶段。

  “第一阶段是水稻重要农艺性状关键基因的克隆与鉴定。”李家洋说。目前我国水稻功能基因组学研究世界领先,涌现了一大批重要成果,每年都有许多重要基因得到克隆,典型成果包括水稻理想株型基因IPA1的克隆及其分子调控网络的解析,稻米品质形成的调控网络的解析等。

  “第二阶段是水稻分子设计育种技术体系的建立及代表性品种的培育。”李家洋表示,代表性成果包括嘉优中科6号及中科发5号水稻新品种的培育。嘉优中科6号具有超高产、早熟、抗倒和低直链淀粉含量等优点, 在2014年和2015年的国家单季晚粳组区试及2016年生产实验中,产量连续3年均居第一位。中科发5号具有高产、优质、多抗、分蘖强、灌浆速度快、适应性广等优点。

  “第三阶段是水稻品种的示范推广。”李家洋介绍,嘉优中科6号及中科发5号分别在安徽与吉林进行了千亩示范片的展示,示范效果明显,在审定后的第一年,两品种合计推广面积超过50万亩。

  新品种预计每亩增产100公斤

  如今,项目培育的水稻新品种中科发5号在产量、稻瘟病抗性、抗倒伏性以及食味品质各方面均非常优异,成为明星水稻新品种。

  数据显示:中科发5号2017年生产试验,平均亩产653.68千克,比对照品种增产14.86%,该品种穗大粒多、高产、优质、粒型长(长宽比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。2019年中科发5号在黑龙江、吉林、辽宁、宁夏、内蒙古共布置了40多个百亩以上示范片,示范总面积超过2万亩。

  “在吉林省吉林市布置的2000亩连片示范片,在产量、抗稻瘟病、抗倒伏等农艺性状中表现突出,株型、粒型等外观优异,品质优良,口感更佳。同当地主栽品种相比,中科发5号预计增产100公斤/亩以上;稻瘟病抗性和抗倒伏等抗逆性强,可减少灾害损失30%;整精米率比当地主栽优质品种提高8%以上,新品种带来的经济和社会效益将日趋凸显。”李家洋说。

  “2020年是中科发5号进行正式推广种植的第一年。虽然受到疫情的影响,但农民对该品种认可度非常高。”李家洋表示,中科发5号第一年推广面积即超过了40万亩,具有快速增长趋势,有望成为东北水稻种植中新的主栽品种,对引领我国品种升级换代具有里程碑式的意义。

  将新理论、新技术与当地实际结合

  项目之所以能取得关键突破,在李家洋看来,主要的经验来源于三个方面。

  “首先是理论创新。”李家洋认为,我国水稻基础科研引领世界,这为水稻育种提供了关键理论基础与遗传资源。我国水稻科学家克隆了一批重要的农艺性状基因,为后续的水稻分子设计育种创造了基础。

  “其次是技术创新。”李家洋强调,育种技术的提升是培育优异新品种的核心。水稻分子设计育种,综合遗传学、分子生物学、基因组学等手段,并结合常规育种方法,可以有效突破常规育种的局限性,尤其克服了在选育品质、抗病虫和抗逆、养分高效利用等性状时效率低,育种周期长等问题,大大提高了育种效率,加快品种换代。

  “第三是结合实际。”李家洋解释,新理论与新技术要与实际相结合,解决当地品种的关键问题。我国幅员辽阔,水稻种植区非常多,主栽品种也非常多,各个地区的主栽品种所面临的自然条件与灾害都不同,将新理论与新技术与当地的实际相结合,帮助当地品种升级换代。

  “项目发挥了各单位优势,贯彻分子设计育种理念,重点突破主要粮食作物的品种设计育种等核心技术,获得具有育种利用价值和知识产权的重大新基因,开发在育种中有实际应用价值的分子标记,建立高效可行的粮食作物分子设计育种技术体系。”李家洋说。(马爱平)

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