2017-11-04 14:31:49
在水稻起源之地,先進(jìn)的基因組技術(shù)可能將徹底改變這種古老作物的未來。中國科學(xué)家如拼搭樂高積木般,將超高產(chǎn)、品質(zhì)改良和抗性提升等優(yōu)秀基因“模塊”“組裝”成了一種前所未見的超級水稻。
10月31日,在江蘇省沭陽縣青伊湖農(nóng)場,名為“嘉優(yōu)中科1號”的超級水稻迎來了豐收。研究團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物研究所副研究員劉貴富正緊張地指揮著稻田的收割和測產(chǎn)。
他希望畝產(chǎn)達(dá)到850公斤,比當(dāng)?shù)卦耘嗟闹饕痉N產(chǎn)量高30%以上。在自然種植的條件下,達(dá)到這一畝產(chǎn)目標(biāo)是巨大的挑戰(zhàn)。測產(chǎn)結(jié)果讓他喜出望外:不管是傳統(tǒng)手插秧,還是更節(jié)約人力的直接播種,平均畝產(chǎn)都達(dá)到了900公斤以上。
目前,“嘉優(yōu)中科1號”正在各地大面積推廣。該研究課題負(fù)責(zé)人、中科院院士李家洋說,這一突破性技術(shù)育成的新稻種具有引領(lǐng)作用,對指導(dǎo)未來作物遺傳改良、保障國家糧食安全具有重大戰(zhàn)略意義。
“最關(guān)鍵”的基因
按當(dāng)?shù)剞r(nóng)時,“嘉優(yōu)中科1號”算一季中稻,在此地試種頗有深意:雖然這種新水稻適宜在長江中下游地區(qū)種植,但科學(xué)家特意將種植區(qū)域北移,以驗證它在水稻生長期較短的地區(qū),其優(yōu)點能否充分發(fā)揮。
結(jié)果令人滿意:在寒流到來之前,它已和現(xiàn)有稻種相繼成熟?？雌饋?它們株高適中,葉片挺拔,稻籽已然金黃,但莖稈還是青色,用行家的話說,這樣能“抗早衰、抗倒伏”。
“分子模塊設(shè)計”神奇在何處?李家洋說,在“分子模塊設(shè)計”育種技術(shù)下,培育水稻就像“設(shè)計一個工業(yè)產(chǎn)品”。
劉貴富說,該方法的科學(xué)基礎(chǔ)是多數(shù)農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)性狀,比如高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等,都受到多個基因的調(diào)控,并具有“模塊化”特性?？茖W(xué)家通過解析這些基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制、彼此作用的模式,可以將它們統(tǒng)籌“設(shè)計”在一起,讓雜交、選種過程變得有目標(biāo)、可預(yù)見,育種效率獲得“革命性”的提高。
“最讓我高興的是,我們找到了最關(guān)鍵基因。”李家洋說,這種名為理想株型的分子模塊(IPA1-2D)可以讓株型更優(yōu)質(zhì)。“莖稈更粗壯,穗子大、谷粒大,這是高產(chǎn)最重要的性狀。”
“跟轉(zhuǎn)基因無關(guān)”
當(dāng)前,一個基因(技術(shù))就意味著一個產(chǎn)業(yè)。在未來的農(nóng)業(yè)生物改良中,相關(guān)基因和關(guān)鍵技術(shù)的突破將帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)效益。
近年來,歐洲、美國、澳大利亞等國家紛紛出臺國家級研究計劃,在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域展開競爭。
中國政府高度重視農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展。“嘉優(yōu)中科”系列新品種背后,就是中國科學(xué)院13項戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)之一“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”,其定位是“解決關(guān)系國家長遠(yuǎn)發(fā)展的重大科技問題”。
李家洋說,“分子模塊設(shè)計”育種技術(shù)與轉(zhuǎn)基因無關(guān)。因為,它不存在基因剪輯,也沒有引入外來基因等,而是在水稻天然基因里篩選“優(yōu)質(zhì)”基因,然后利用“分子模塊設(shè)計”育種技術(shù),極大提高了育種精準(zhǔn)度和效率。
劉貴富舉例說,在常規(guī)育種里,雜交后的新稻株要等到在田里生長后,科學(xué)家才能用肉眼“海選”出想要的性狀植株。但是現(xiàn)在,哪怕還是青青的小苗,只要做一次基因檢測,就能“鎖定”想要的那一棵。
“此外,轉(zhuǎn)基因技術(shù)主要是針對少數(shù)單基因控制的性狀改良,難以培育針對復(fù)雜性狀改良的突破性新品種。”劉貴富說,“因此,新一代育種理論和技術(shù)體系是現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展的迫切需求。”
育種技術(shù)“升級換代”
長江中下游地區(qū)自古是中國水稻的主產(chǎn)區(qū)之一?？脊抛C實,這里人們稻作的歷史可以追溯到1萬年前,水稻的馴化和傳播正起源于此地。如今,水稻的未來可能也將被中國人率先改寫。
李家洋說,“分子模塊設(shè)計”育種是世界作物遺傳改良領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù),這意味著“中國科學(xué)家已在現(xiàn)代育種理論研究方面躋身世界前列”。
20年來,長江中下游主產(chǎn)區(qū)在高產(chǎn)栽培的條件下,水稻產(chǎn)量進(jìn)入了一個緩慢增長期,存在著品質(zhì)較差、抗病性弱、主栽種品種退化嚴(yán)重等問題,由此也帶來了抗生素和農(nóng)藥濫用等一系列問題。
劉貴富從事了30多年的田間育種工作。在他看來,產(chǎn)量和早熟、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲等優(yōu)良性狀之間一直存在著很大矛盾。而“分子模塊設(shè)計”育種可以精確改良缺點,聚合多個優(yōu)點,是育種技術(shù)的一次“升級換代”。
那么,是否意味著傳統(tǒng)育種技術(shù)將要被替代了呢?劉貴富說,“分子模塊設(shè)計”育種技術(shù)目前還需要與傳統(tǒng)育種方法相結(jié)合,“比如在親本材料間雜交、后期材料表型的鑒定等環(huán)節(jié),兩者是共通的。”
在試種的過程中,當(dāng)?shù)氐姆N糧大戶發(fā)現(xiàn),與當(dāng)?shù)刂髟缘痉N相比,“嘉優(yōu)中科1號”的生長周期稍有縮短或相仿,產(chǎn)量明顯增加,但化肥和農(nóng)藥總量卻沒有增加。
這是最讓劉貴富高興的事:“任何育種技術(shù)要保障糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,歸根到底離不開農(nóng)民。只有農(nóng)民愿意種、讓農(nóng)民獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益,這樣的新品種才有意義。”
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