在全基因組測序基礎上，根據虛擬設計方案，聚合大量有益基因

分子設計育種讓水稻高產又優(yōu)質，增產14.86%

在2017年生產試驗中，中科發(fā)5號平均畝產653.68千克，比對照品種增產14.86%，該品種穗大粒多、高產、優(yōu)質、粒型長(長寬比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。

農業(yè)現代化，種子是基礎。2月21日，《中共中央 國務院關于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農業(yè)農村現代化的意見》，即2021年中央一號文件發(fā)布。文件強調要打好種業(yè)翻身仗，加強農業(yè)種質資源保護開發(fā)利用。

記者日前從科技部中國農村技術開發(fā)中心獲悉，國家重點研發(fā)計劃“七大農作物育種”重點專項“水稻全基因組選擇與高產優(yōu)質品種設計育種”成果圍繞水稻理想株型與品質形成的分子機理這一重大科學問題取得了一系列關鍵突破。

“該成果創(chuàng)建了直接利用自然材料與生產品種進行復雜性狀遺傳解析的新方法；揭示了影響水稻產量的理想株型形成的關鍵基因和分子基礎；闡明了稻米食用品質精細調控網絡，用于指導優(yōu)質稻米品種培育；培育了嘉優(yōu)中科6號與中科發(fā)5號等標志性品種，成功實現了高產優(yōu)質抗病抗倒等優(yōu)良性狀的高效聚合，示范了高產優(yōu)質為目標的分子設計育種，為解決水稻產量品質協(xié)同改良的難題提供了有效策略。”成果所屬項目負責人、中國科學院院士、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員李家洋在接受科技日報記者采訪時表示。

可實現定向高效的精確育種

“糧食安全與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展是影響國計民生的重大問題，受到世界各國高度關注。在促進糧食增產的諸多科技因素中，作物品種改良最為重要。”李家洋指出。

近年來，隨著主要作物全基因組測序的完成，功能基因組學以及生物信息學的發(fā)展，一種新的育種理念——分子設計育種在世界范圍內逐漸興起，并成為引領作物遺傳改良的前沿技術。

分子設計育種即在全基因組序列的基礎上，根據事先進行的虛擬基因組設計方案，通過優(yōu)化選擇最佳親本基因組組合、雜交和分子標記選擇等先進技術，聚合大量有益基因，從而培育高產、優(yōu)質、高抗、高效的優(yōu)良新品種。

“與傳統(tǒng)育種技術相比，分子設計育種能夠實現從經驗育種到定向高效的精確育種轉變，大幅提高育種效率，是一種新的保障糧食安全的技術體系與途徑。”李家洋表示。

分子設計育種不僅能在很大程度上減少常規(guī)育種的盲目性，而且能夠顯著提高作物育種的效率，創(chuàng)造有重大育種利用價值的新材料，創(chuàng)制高產優(yōu)質多抗新品種，對于保障糧食安全、實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

因此，國家重點研發(fā)計劃“七大農作物育種”重點專項部署了“主要糧食作物分子設計育種”項目。

項目下設的“水稻分子設計育種”課題以水稻為對象，目標是通過分子設計育種的技術手段，圍繞種質創(chuàng)新、育種新技術、新品種選育等科技創(chuàng)新鏈條，組織高水平研究單位、水稻主產區(qū)育種單位及國內影響力較大的相關企業(yè)等，從科學研究、品種開發(fā)與選育、重大品種推廣等各個方面深入協(xié)同合作。

形成新的作物育種技術體系

項目攻關運用了哪些黑科技？對此，專家表示，項目通過基因聚合和全基因組篩選等技術創(chuàng)制了水稻的育種新材料和優(yōu)異新種質，形成了新的高效作物育種技術體系，提高了新品種選育效率，培育出了高產、優(yōu)質、抗逆和適宜輕簡栽培的重大新品種并推廣應用，提高了糧食生產水平和競爭力，推動了良種對增產的貢獻率。

李家洋總結，具體來看，項目的攻關過程可分為三個階段。

“第一階段是水稻重要農藝性狀關鍵基因的克隆與鑒定。”李家洋說。目前我國水稻功能基因組學研究世界領先，涌現了一大批重要成果，每年都有許多重要基因得到克隆，典型成果包括水稻理想株型基因IPA1的克隆及其分子調控網絡的解析，稻米品質形成的調控網絡的解析等。

“第二階段是水稻分子設計育種技術體系的建立及代表性品種的培育。”李家洋表示，代表性成果包括嘉優(yōu)中科6號及中科發(fā)5號水稻新品種的培育。嘉優(yōu)中科6號具有超高產、早熟、抗倒和低直鏈淀粉含量等優(yōu)點， 在2014年和2015年的國家單季晚粳組區(qū)試及2016年生產實驗中，產量連續(xù)3年均居第一位。中科發(fā)5號具有高產、優(yōu)質、多抗、分蘗強、灌漿速度快、適應性廣等優(yōu)點。

“第三階段是水稻品種的示范推廣。”李家洋介紹，嘉優(yōu)中科6號及中科發(fā)5號分別在安徽與吉林進行了千畝示范片的展示，示范效果明顯，在審定后的第一年，兩品種合計推廣面積超過50萬畝。

新品種預計每畝增產100公斤

如今，項目培育的水稻新品種中科發(fā)5號在產量、稻瘟病抗性、抗倒伏性以及食味品質各方面均非常優(yōu)異，成為明星水稻新品種。

數據顯示：中科發(fā)5號2017年生產試驗，平均畝產653.68千克，比對照品種增產14.86%，該品種穗大粒多、高產、優(yōu)質、粒型長(長寬比3.0)、抗稻瘟病、抗倒伏。2019年中科發(fā)5號在黑龍江、吉林、遼寧、寧夏、內蒙古共布置了40多個百畝以上示范片，示范總面積超過2萬畝。

“在吉林省吉林市布置的2000畝連片示范片，在產量、抗稻瘟病、抗倒伏等農藝性狀中表現突出，株型、粒型等外觀優(yōu)異，品質優(yōu)良，口感更佳。同當地主栽品種相比，中科發(fā)5號預計增產100公斤/畝以上；稻瘟病抗性和抗倒伏等抗逆性強，可減少災害損失30%；整精米率比當地主栽優(yōu)質品種提高8%以上，新品種帶來的經濟和社會效益將日趨凸顯。”李家洋說。

“2020年是中科發(fā)5號進行正式推廣種植的第一年。雖然受到疫情的影響，但農民對該品種認可度非常高。”李家洋表示，中科發(fā)5號第一年推廣面積即超過了40萬畝，具有快速增長趨勢，有望成為東北水稻種植中新的主栽品種，對引領我國品種升級換代具有里程碑式的意義。

將新理論、新技術與當地實際結合

項目之所以能取得關鍵突破，在李家洋看來，主要的經驗來源于三個方面。

“首先是理論創(chuàng)新。”李家洋認為，我國水稻基礎科研引領世界，這為水稻育種提供了關鍵理論基礎與遺傳資源。我國水稻科學家克隆了一批重要的農藝性狀基因，為后續(xù)的水稻分子設計育種創(chuàng)造了基礎。

“其次是技術創(chuàng)新。”李家洋強調，育種技術的提升是培育優(yōu)異新品種的核心。水稻分子設計育種，綜合遺傳學、分子生物學、基因組學等手段，并結合常規(guī)育種方法，可以有效突破常規(guī)育種的局限性，尤其克服了在選育品質、抗病蟲和抗逆、養(yǎng)分高效利用等性狀時效率低，育種周期長等問題，大大提高了育種效率，加快品種換代。

“第三是結合實際。”李家洋解釋，新理論與新技術要與實際相結合，解決當地品種的關鍵問題。我國幅員遼闊，水稻種植區(qū)非常多，主栽品種也非常多，各個地區(qū)的主栽品種所面臨的自然條件與災害都不同，將新理論與新技術與當地的實際相結合，幫助當地品種升級換代。

“項目發(fā)揮了各單位優(yōu)勢，貫徹分子設計育種理念，重點突破主要糧食作物的品種設計育種等核心技術，獲得具有育種利用價值和知識產權的重大新基因，開發(fā)在育種中有實際應用價值的分子標記，建立高效可行的糧食作物分子設計育種技術體系。”李家洋說。作者：馬愛平