分子設計圓了「超級水稻」夢

北京新浪網 01-13 06:23

圖① 李家洋院士在田間觀察水稻性狀。(資料圖片)

圖② 李家洋院士團隊在田間。(資料圖片)

育種技術創新是糧食安全的保障

解析水稻產量與品質的分子機制是世界性科學難題

「一粒種子可以改變世界」,然而,如何才能「多快好省」地培育出一粒好種子?得益於遺傳學、分子生物學和基因組學的發展,在我國科學家多年不懈努力下,糧食高產優質的夢想已在田間落地萌芽

1月8日,由我國科學家李家洋、韓斌、錢前、王永紅、黃學輝為代表的研究團隊、歷時逾20年合作完成的「水稻高產優質性狀形成的分子機理及品種設計」項目榮獲2017年度國家自然科學獎一等獎。這項技術給予品種設計育種研究領域新的啟迪,將極大推動作物傳統育種向高效、精準、定向的分子設計育種轉變。一場水稻育種領域的新「綠色革命」正拉開帷幕。

兩次綠色革命「搭台唱戲」

繼「水稻高稈變矮稈」「中國雜交水稻」后,「超級水稻」躍躍欲試

回溯水稻育種史,每一次重大突破無不與某個關鍵基因的發現與大規模應用有關。

20世紀初以來,小麥、水稻等作物的高稈品種倒伏現象越發嚴重,成為限制農作物高產穩產的主要因素。由於作物的抗倒性與莖稈的堅韌程度以及根系發育的好壞有著密切關係,種植矮稈品種成為防止倒伏最有效的措施。為此,各國育種工作者紛紛開展作物品種矮化研究。

隨後,以國際玉米小麥改良中心小麥研究部主任諾曼·勃勞格為首的小麥育種家,利用日本「農林10號」矮化基因為矮源,與抗鏽病的墨西哥小麥進行雜交,育成了30多個矮稈、半矮稈品種。其中,有些品種的株高僅有40至50厘米,同時具有抗倒伏、抗鏽病、高產的突出優點。通過水稻由高稈變矮稈並輔助農藥和農業機械的途徑,人們解決了當時19個發展中國家的糧食自給問題,這種高產現象被稱為「第一次綠色革命」。

創新齒輪的牽引一次次驅動全球發展,中國雜交水稻便是第二次綠色革命時期的傑出代表。上世紀70年代,我國科學家袁隆平團隊在海南島發現一株野敗不育水稻,經多年努力,在全國大協作下將三系雜交稻配套成功,再次大幅提升水稻產量,並迅速掀起一批第三世界國家種植雜交水稻的熱潮。聯合國教科文組織總幹事姆博曾稱,袁隆平的科研成果是繼國際上培育半矮稈水稻之後的「第二次綠色革命」。

從「綠色革命」的沿襲中不難發現,水稻仍是世界上最重要的糧食作物之一,也是我國60%以上人口的主糧,對保障我國糧食安全重大戰略需求具有舉足輕重的地位。在當前全球氣候變化、可耕地不斷減少、土壤退化等條件制約下,培育「高產優質」型超級水稻新品種成為育種學家和稻米種業長期奮鬥的目標。

隨著功能基因組不斷發展,育種學家提出「品種設計育種」,夢想能將重要農藝性狀關鍵基因的優異等位形式高效聚合,形成超級新品種。然而,在品種設計育種實施過程中,最優化育種策略的設計面臨挑戰,尤其對於高產優質複雜性狀的綜合改良,全球迄今還沒有實現從概念到產品的跨越。

「面對日益增長的糧食需求,迫切需要更加精準高效的育種技術,即通過品種設計進行多基因複雜性狀的定向改良,從而達到高產優質的目標。」中科院院士、中科院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋告訴經濟日報記者,為突破水稻產量瓶頸,育種家提出了「理想株型」的概念。他們希望培育出分櫱數適宜、莖稈強壯、穗大粒多的高產理想株型品種,同時兼具優良的食用品質,這成為實現新一輪綠色革命的關鍵。

高產優質可以兼得

藉助水稻株型改良實現水稻單產躍升,破解了世界性科學難題

「高產、優質、穩產、高效」,這8個字是育種學家永恆的命題。然而長久以來,水稻產量與品質間的相互制約是阻礙水稻「既高產又優質」的頑疾。

「水稻產量與稻米品質性狀的形成由多基因組成的精細網路調控,而闡明調控網路的組成與機理極具挑戰。構成產量與品質各要素之間相互制約調控的關係複雜,使得解析水稻產量與品質的分子機理成為世界性科學難題。」李家洋表示,如果通過傳統育種方法改良水稻等作物的產量和品質,具有很大不確定性,且費時費力。

曾幾何時,在基礎研究領域,科學家們更多關注於水稻材料的新穎性,對綜合性狀的聚合及水稻理想株型和產量形成的分子調控機制則認識非常有限。然而,以培育「理想株型」為契機,無論是雜交水稻育種,還是「超級稻」研究,它的核心就在於藉助水稻株型改良來實現水稻單產的躍升。

「株型改良在提高產量中發揮著越來越重要的作用。水稻產量和品質相互制約、矛盾的原因在於:高產等位基因附近攜帶了品質不好的等位基因,通過傳統育種不易剔除。」中科院上海生命科學研究院研究員韓斌介紹,分子設計的概念,就是在了解機理的基礎上,鑒定出高產優質的基因並組合在一起,最終找到最佳培育方案。

回憶起過去「大海撈針」式的基因尋覓之路,韓斌仍記憶猶新,「2005年,我們繪製出水稻基因圖譜。它就像人體解剖圖一樣,近4萬個基因、1000多種材料擺在眼前,等待重新測序。我們反覆研究和統計每個品種的某一性狀是由哪個基因控制,探尋各基因組之間存在關聯性的蛛絲馬跡,才能最終選出合適的品種進行雜交」。

功夫不負有心人。這一次,我國科學家團隊圍繞「水稻理想株型與品質形成的分子機理」核心科學問題,取得了累累碩果:他們創建了直接利用自然品種材料進行複雜性狀遺傳解析的新方法;揭示了水稻理想株型形成的分子基礎,發現了理想株型形成的關鍵基因——IPA1,它的應用可使帶有半矮稈基因的現有高產品種產量進一步提高;此外,還闡明了稻米食用品質精細調控網路,用於指導優質稻米品種培育;並建立了高效精準的設計育種體系,雜交培育了一系列高產優質新品種……這為解決水稻產量與品質互相制約的難題提供了有效策略。

由於成績顯著,該項目研究成果已經兩次入選「中國科學十大進展」,在國際權威學術刊物上共發表論文120多篇,被SCI引用8000餘次,其中8篇代表性論文引用超過2300次。

「超級水稻」完美現身

株高適宜、莖稈粗壯、熟期早、抗逆性強、增產效果顯著……

對比同類技術,由我國科學家團隊主導的這場綠色革命究竟「新」在哪裡?

「隨著人民生活水平不斷提高,對糧食作物的要求不僅體現在吃飽、吃好,還要吃得健康,這是傳統育種手段難以做到的。」項目推薦人、中科院院士李振聲在推薦詞中寫到,該項目設計育種技術的突破,正是對高產優質等複雜性狀分子機理的闡明,打破了無法通過田間觀察方式判斷水稻品質的局限。

「通過分子標記選擇,成功實現了水稻高產和優質聚合一體的目標。這項成果還將進一步擴展到其他作物的育種之中,引發一場新的綠色革命。」李振聲說。

如今,研究團隊已經育成「嘉優中科」系列水稻新品種。它具有株高適宜、分櫱適中、無效分櫱很少、莖稈粗壯、根系發達等明顯的理想株型特徵,且熟期早,抗逆性強,增產效果顯著,適合機械化或直播等高效、輕簡的栽培方式。通過連續兩年的萬畝示範顯示,該品種平均產量比當地主栽品種增產20%以上。

「中國水稻育種技術的發展同時反映出我國科技發展軌跡:早年間,我們的水稻研究跟著別人走;慢慢的,發展成為並駕齊驅;現在,各個方面正逐漸形成引領之勢。」李家洋說。在這支水稻設計育種先鋒隊里,有來自中科院遺傳與發育生物學研究所、中科院上海生命科學研究院和中國農科院中國水稻研究所的科研精英們。他們彼此就代表著所在研究領域的國際領先水平,圍繞科學問題,聯合優勢學科,深入合作攻關。

中國農科院中國水稻研究所研究員錢前在採訪時表示,通常,一個水稻新品種的培育還需「十年磨一劍」。然而,在激烈競爭形勢下,各國科學家都在努力縮短育種周期,特別是在發現了一個控制水稻高產的基因時。而對於我國科學家團隊來說,這一時間已縮短至5年,甚至理論上還可以更快。

放眼未來,加快眾多優良基因聚合、培育新品種之路仍任重道遠。讓我們期待下一次綠色革命依舊在中國熱土上絢爛新生。經濟日報·中國經濟網記者 郭靜原

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