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            分子设计圆了“超级水稻”梦

            2018年01月13日 06:09   来源:中国经济网—《经济日报》   

             图① 李家洋院士在田间观察水稻性状。(资料图片)

              图② 李家洋院士团队在田间。(资料图片)

              育种技术创新是粮食安全的保障

              解析水稻产量与品质的分子机制是世界性科学难题

              “一粒种子可以改变世界”,然而,如何才能“多快好省”地培育出一粒好种子?得益于遗传学、分子生物学和基因组学的发展,在我国科学家多年不懈努力下,粮食高产优质的梦想已在田间落地萌芽

              1月8日,由我国科学家李家洋、韩斌、钱前、王永红、黄学辉为代表的研究团队、历时逾20年合作完成的“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”项目荣获2017年度国家自然科学奖一等奖。这项技术给予品种设计育种研究领域新的启迪,将极大推动作物传统育种向高效、精准、定向的分子设计育种转变。一场水稻育种领域的新“绿色革命”正拉开帷幕。

              两次绿色革命“搭台唱戏”

              继“水稻高秆变矮秆”“中国杂交水稻”后,“超级水稻”跃跃欲试

              回溯水稻育种史,每一次重大突破无不与某个关键基因的发现与大规模应用有关。

              20世纪初以来,小麦、水稻等作物的高秆品种倒伏现象越发严重,成为限制农作物高产稳产的主要因素。由于作物的抗倒性与茎秆的坚韧程度以及根系发育的好坏有着密切关系,种植矮秆品种成为防止倒伏最有效的措施。为此,各国育种工作者纷纷开展作物品种矮化研究。

              随后,以国际玉米小麦改良中心小麦研究部主任诺曼·勃劳格为首的小麦育种家,利用日本“农林10号”矮化基因为矮源,与抗锈病的墨西哥小麦进行杂交,育成了30多个矮秆、半矮秆品种。其中,有些品种的株高仅有40至50厘米,同时具有抗倒伏、抗锈病、高产的突出优点。通过水稻由高秆变矮秆并辅助农药和农业机械的途径,人们解决了当时19个发展中国家的粮食自给问题,这种高产现象被称为“第一次绿色革命”。

              创新齿轮的牵引一次次驱动全球发展,中国杂交水稻便是第二次绿色革命时期的杰出代表。上世纪70年代,我国科学家袁隆平团队在海南岛发现一株野败不育水稻,经多年努力,在全国大协作下将三系杂交稻配套成功,再次大幅提升水稻产量,并迅速掀起一批第三世界国家种植杂交水稻的热潮。联合国教科文组织总干事姆博曾称,袁隆平的科研成果是继国际上培育半矮秆水稻之后的“第二次绿色革命”。

              从“绿色革命”的沿袭中不难发现,水稻仍是世界上最重要的粮食作物之一,也是我国60%以上人口的主粮,对保障我国粮食安全重大战略需求具有举足轻重的地位。在当前全球气候变化、可耕地不断减少、土壤退化等条件制约下,培育“高产优质”型超级水稻新品种成为育种学家和稻米种业长期奋斗的目标。

              随着功能基因组不断发展,育种学家提出“品种设计育种”,梦想能将重要农艺性状关键基因的优异等位形式高效聚合,形成超级新品种。然而,在品种设计育种实施过程中,最优化育种策略的设计面临挑战,尤其对于高产优质复杂性状的综合改良,全球迄今还没有实现从概念到产品的跨越。

              “面对日益增长的粮食需求,迫切需要更加精准高效的育种技术,即通过品种设计进行多基因复杂性状的定向改良,从而达到高产优质的目标。”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告诉经济日报记者,为突破水稻产量瓶颈,育种家提出了“理想株型”的概念。他们希望培育出分蘖数适宜、茎秆强壮、穗大粒多的高产理想株型品种,同时兼具优良的食用品质,这成为实现新一轮绿色革命的关键。

              高产优质可以兼得

              借助水稻株型改良实现水稻单产跃升,破解了世界性科学难题

              “高产、优质、稳产、高效”,这8个字是育种学家永恒的命题。然而长久以来,水稻产量与品质间的相互制约是阻碍水稻“既高产又优质”的顽疾。

              “水稻产量与稻米品质性状的形成由多基因组成的精细网络调控,而阐明调控网络的组成与机理极具挑战。构成产量与品质各要素之间相互制约调控的关系复杂,使得解析水稻产量与品质的分子机理成为世界性科学难题。”李家洋表示,如果通过传统育种方法改良水稻等作物的产量和品质,具有很大不确定性,且费时费力。

              曾几何时,在基础研究领域,科学家们更多关注于水稻材料的新颖性,对综合性状的聚合及水稻理想株型和产量形成的分子调控机制则认识非常有限。然而,以培育“理想株型”为契机,无论是杂交水稻育种,还是“超级稻”研究,它的核心就在于借助水稻株型改良来实现水稻单产的跃升。

              “株型改良在提高产量中发挥着越来越重要的作用。水稻产量和品质相互制约、矛盾的原因在于:高产等位基因附近携带了品质不好的等位基因,通过传统育种不易剔除。”中科院上海生命科学研究院研究员韩斌介绍,分子设计的概念,就是在了解机理的基础上,鉴定出高产优质的基因并组合在一起,最终找到最佳培育方案。

              回忆起过去“大海捞针”式的基因寻觅之路,韩斌仍记忆犹新,“2005年,我们绘制出水稻基因图谱。它就像人体解剖图一样,近4万个基因、1000多种材料摆在眼前,等待重新测序。我们反复研究和统计每个品种的某一性状是由哪个基因控制,探寻各基因组之间存在关联性的蛛丝马迹,才能最终选出合适的品种进行杂交”。

              功夫不负有心人。这一次,我国科学家团队围绕“水稻理想株型与品质形成的分子机理”核心科学问题,取得了累累硕果:他们创建了直接利用自然品种材料进行复杂性状遗传解析的新方法;揭示了水稻理想株型形成的分子基础,发现了理想株型形成的关键基因——IPA1,它的应用可使带有半矮秆基因的现有高产品种产量进一步提高;此外,还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;并建立了高效精准的设计育种体系,杂交培育了一系列高产优质新品种……这为解决水稻产量与品质互相制约的难题提供了有效策略。

              由于成绩显著,该项目研究成果已经两次入选“中国科学十大进展”,在国际权威学术刊物上共发表论文120多篇,被SCI引用8000余次,其中8篇代表性论文引用超过2300次。

              “超级水稻”完美现身

              株高适宜、茎秆粗壮、熟期早、抗逆性强、增产效果显著……

              对比同类技术,由我国科学家团队主导的这场绿色革命究竟“新”在哪里?

              “随着人民生活水平不断提高,对粮食作物的要求不仅体现在吃饱、吃好,还要吃得健康,这是传统育种手段难以做到的。”项目推荐人、中科院院士李振声在推荐词中写到,该项目设计育种技术的突破,正是对高产优质等复杂性状分子机理的阐明,打破了无法通过田间观察方式判断水稻品质的局限。

              “通过分子标记选择,成功实现了水稻高产和优质聚合一体的目标。这项成果还将进一步扩展到其他作物的育种之中,引发一场新的绿色革命。”李振声说。

              如今,研究团队已经育成“嘉优中科”系列水稻新品种。它具有株高适宜、分蘖适中、无效分蘖很少、茎秆粗壮、根系发达等明显的理想株型特征,且熟期早,抗逆性强,增产效果显著,适合机械化或直播等高效、轻简的栽培方式。通过连续两年的万亩示范显示,该品种平均产量比当地主栽品种增产20%以上。

              “中国水稻育种技术的发展同时反映出我国科技发展轨迹:早年间,我们的水稻研究跟着别人走;慢慢的,发展成为并驾齐驱;现在,各个方面正逐渐形成引领之势。”李家洋说。在这支水稻设计育种先锋队里,有来自中科院遗传与发育生物学研究所、中科院上海生命科学研究院和中国农科院中国水稻研究所的科研精英们。他们彼此就代表着所在研究领域的国际领先水平,围绕科学问题,联合优势学科,深入合作攻关。

              中国农科院中国水稻研究所研究员钱前在采访时表示,通常,一个水稻新品种的培育还需“十年磨一剑”。然而,在激烈竞争形势下,各国科学家都在努力缩短育种周期,特别是在发现了一个控制水稻高产的基因时。而对于我国科学家团队来说,这一时间已缩短至5年,甚至理论上还可以更快。

              放眼未来,加快众多优良基因聚合、培育新品种之路仍任重道远。让我们期待下一次绿色革命依旧在中国热土上绚烂新生。经济日报·中国经济网记者 郭静原

            (责任编辑:符仲明)