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利用作物杂种优势与生物育种 提升种业核心竞争力——第一届全国作物杂种优势与生物育种学术大会综述
中国农网 2024-07-05 57

作物杂种优势利用与生物育种技术的融合,可加快高产、优质、绿色、高效作物新品种培育,提升我国种业核心竞争力,助力打赢种业翻身仗。7月1日至5日,第一届全国作物杂种优势与生物育种学术大会在新疆伊宁举行,聚焦“种业新质生产力与国家粮食安全”主题,共话作物杂种优势与生物育种前沿。大会由农业农村部中国农村技术开发中心指导,中国生物工程学会、北京科技大学、黑龙江大学、国际种业科学家联合体共同主办。

科技创新驱动品种迭代升级

随着我国种植业结构调整,我国90%以上的棉花产能集中在新疆,如何针对新疆的气候和土壤环境培育棉花品种成为产业的关键需求。中国工程院院士张献龙表示,20世纪70-90年代,内地棉花育种家通过远缘杂交产生了多种类型的种质资源,在棉花育种中发挥了重要作用。今后,新疆的棉花育种工作者应更加重视棉花种质资源的创新、筛选和评价,为现代品种的选育注入新的遗传背景,扩大现代品种的遗传多样性和适应性;同时,要创新育种技术,创造出传统育种方法得不到的遗传资源,提升育种效率,培育突破性品种。

同样,水稻也面临着可持续发展的绿色课题。中国科学院院士谢华安带领团队着手研究培育高产、高效、高质的超级稻品种。“现代种业的目标是育成丰产性、优质性、抗性和广适应性综合在较高水平上的品种,要取得这‘四性’的‘最大公约数’。”他说。

“‘四性’综合育种培育的水稻新品种,品种抗性和适应性强,可节约农药与化肥,使种植业更加绿色、环保、可持续。今天的育种要求更高,难度更大。面向未来,想要提高育种水平,就要综合各个学科的优势进行协作创新。”谢华安建议,未来水稻育种要坚持多学科协作联合攻关,培育“四性”综合品种,保障粮食生产绿色、安全、高效,实现藏粮于地、藏粮于技。

杂草危害是大豆生产的主要限制因素,制约大豆产量的提升。中国农业科学院作物研究所邱丽娟研究员介绍,针对大豆生产杂草管理难的突出产业问题,突破大豆遗传转化与鉴定等关键技术,将自主知识产权g2-epsps和gat基因双价表达载体转入大豆品种中黄10号,创制的新种质中黄6106耐草甘膦特性突出,草甘膦处理后叶片不黄化、靶标代谢途径不受抑制,对除草剂的耐受能力更强。经过系统的安全评价,中黄6106获批生产应用安全证书。同时研究团队创建目标性状精准检测和快速加代转基因大豆育种技术体系,利用中黄6106培育出转基因大豆品种中联豆1505等9个,耐草甘膦特性突出、综合农艺性状优良,第一批通过国家农作物品种审定并进入我国生物育种产业化试点。

基础研究提升作物育种效率

玉米是我国第一大粮饲兼用型作物,在保障国家粮食安全方面发挥着重要作用。但我国玉米供需缺口大,与发达国家相比,我国玉米单产和综合生产效益较低,主要技术瓶颈在于“三缺一低”,即缺乏可用的母本不育系、优异父本系和突破性杂交种,种子生产效率偏低。北京科技大学生物农业研究院院长说:“我们提出了玉米绿色高效育种的概念,即通过生物育种技术,聚合优良性状和基因,确保新品种适应农业生产的新目标:高产出、高效率、低投入、低排放。”基于此,万向元团队以玉米为研究对象,围绕“生物技术-母本不育系-优异父本系-杂交种培育及应用”的主线,开展了一系列研究工作,如玉米核雄性不育基因挖掘与分子遗传基础,玉米雄性不育技术体系建立与母本不育系创制等,提高玉米杂交育种和制种效率以及综合生产效益。

云南省农业科学院首席专家番兴明研究员介绍,热带亚热带种质中蕴藏着极其丰富的遗传变异和优良特性,团队利用热带玉米种质进行改良创新、开展杂种优势利用研究,并提出了新的杂种优势利用模式,与传统的模式相比,可提高育种效率21%,育成了一批优质抗病玉米杂交种。

国家棉花产业技术体系首席科学家、中国农业科学院棉花研究所所长李付广研究员表示,长期的基础研究为大量创制转基因棉花新种质提供了有力的技术支撑。他带领团队创制了“基于种胚顶尖干细胞”的转基因新方法,打破了基因型限制,可对任何棉花品种进行转基因操作,大大提升了品种改良效率。

前沿科技与作物育种紧密融合

“虽然我国农业科技整体水平处于世界第一方阵,但目前我国原创性、前瞻性、引领性科技创新依旧缺乏。”中国工程院院士胡培松认为,面向2030年,农业科学的突破机遇将聚焦在传感技术、数据科学与农业食品信息学、基因组学和精准育种、微生物组以及跨学科研究和系统方法等方面。而人工智能将在未来农业科技创新中发挥重要作用。

在海量的基因组数据面前,怎样的基因组合才能产出最优的作物品种?如何不用大规模田间试验,就能预测和推演这些基因聚合后作物的生产表现?依托生物技术、人工智能、大数据的智能设计育种应运而生。“作物智能设计育种首先需要破解作物的重要性状是如何形成的?它取决于哪些遗传因素和分子机制?与传统的高投入、大规模的田间试验相比,智能设计育种可在计算机中对基因组序列进行虚拟诱变,并利用模型预测变异的后果,挑选符合我们预期目标的变异序列进行实验验证,实现低成本、高效率的定向设计育种。”胡培松表示。

近年来,全球高效生物转化与合成相关行业整体爆发式增长,其中农业和食品领域被预测是未来市场需求最大和应用前景最广领域。河南大学农学院教授林敏介绍说,合成生物技术有望突破传统农业瓶颈和资源刚性约束,为光合作用(固碳高产)、生物固氮(节肥增效)、生物抗逆(节水耐旱、植物保护)和未来合成食品(人造肉奶)等世界性农业生产难题提供革命性解决方案。

比如,玉米和水稻采用两种不同的光合作用模式:玉米用的是效率较高的“C4模式”,光能转化效率的理论最大值可达6%,而水稻用的“C3模式”只有4.6%,效率较低,如果将C4光合途径导入C3水稻,将大幅提高产量、水利用率和氮利用率。目前,我国科学家为在C3水稻中组装有效的C4叶片特殊解剖学结构提供优异的基因资源,向着C4高光效水稻的创制迈出了重要的一步。

此外,利用生物合成技术,人工设计出“光呼吸”替代路径,大大缩短了植物光呼吸原本迂回复杂的反应路径。研究发现,人工设计光呼吸替代路径的高光效烟草生长更快、更高、茎部更粗大。未来将尝试以此改造水稻、大豆、马铃薯、西红柿等农作物。

林敏表示,合成生物技术作为改变世界的颠覆性技术之一,将开创人工设计育种和创新农业生物新品种的新纪元。

作者:农民日报·中国农网记者 李丽颖

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