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[科技日報]玉米育種快速精準,守住中國糧食安全底線

  玉米是我國最重要的糧食作物之一,玉米的自給率可達95%以上。我國農業主管部門主要負責人不止一次地表示,玉米基本自給是中國糧食安全的底線。“玉米之所以能做到糧倉里裝中國糧、耕地里種中國種,依賴的是科技進步與創新。”玉米育種專家、中國農業科學院作物科學研究所(以下簡稱作科所)研究員黎亮在接受記者采訪時表示。

  常規育種技術周期長、優良親本自交系選擇率低,很難在短時間內選育出所需要的品種。近年來,單倍體育種、分子標記輔助育種、基因編輯育種等生物技術的應用,提高了玉米育種的效率,開辟了玉米育種的新途徑。

  我國種植玉米九成是自育品種

  “目前我國所有生態區的玉米品種推廣都面臨著國際競爭,主要的跨國公司都在我國開展了品種選育或市場推廣。但我國玉米自育品種的種植面積仍達90%以上,實現這個比例是很不容易的,是國內廣大育種者共同努力的結果。”黎亮說。

  多年前,我國玉米品種普遍存在單產水平低、耐密性差、抗病抗蟲能力弱等缺點,嚴重限制了我國玉米的產能。同時我國玉米種質資源相對匱乏,極大地限制了對高產耐密抗病蟲能力強的玉米品種的選育。

  為了解決這個“硬骨頭”,作科所黃長玲研究員團隊廣泛搜集國內外優良玉米種質資源,潛心鉆研,充分利用分子標記技術輔助玉米種質資源創新,歷經23年,先后育成耐密性好、產量高、適宜種植范圍廣的玉米新品種“中單808”和“中單909”。

  黎亮介紹,“中單808”在西南地區推廣后,該地區玉米種植密度提升30%(每畝增加1000株),產量增幅高達39.3%,成為西南地區主導玉米品種。“中單909”在我國黃淮海玉米區試種期間,平均畝產比黃淮海主推品種“鄭單958”增產5.1%,在全國高產潛力研究實驗中,更是創造出畝產1376公斤的高產紀錄。

  繼“中單808”和“中單909”之后,作科所玉米研究團隊并沒有止步。他們繼續朝著新的育種目標尤其是當前的高優質綠色目標開展研發攻關,整合各項育種技術,進行材料創制和品種選育,并取得了可喜的進展。

  他們還構建了以密植增穗增產、高質量群體構建、病蟲害綠色防控、機械粒收與全程機械化作業、秸稈還田為主的玉米密植高產全程機械化綠色技術體系,2020年創畝產1663.25公斤新紀錄,再次刷新我國玉米高產紀錄。

  此外,“十三五”期間,作科所團隊還育成了“中單123”“中單685”“中玉303”“中單111”等10個高產抗逆宜機收新品種,為提高我國玉米產量作出了貢獻。

  讓育種者告別“無米之炊”

  俗話說“巧婦難為無米之炊”,生物育種的第一步就是需要有育種材料,并且需要知道這些材料里是否含有符合品種需求的優良基因。“由于我國并非玉米的起源地,玉米種質資源無論豐富程度還是水平高低,都與一些國家存在一定差距。”黎亮說。

  黎亮介紹,作科所建立了我國玉米種質資源的安全保護體系,安全保存了3萬余份種質資源。并且牽頭完成了對主產區2000份玉米種質資源的關鍵性狀(如抗旱、抗病、氮利用效率、抗倒、籽粒脫水速率等)評價,闡明了我國玉米種質資源遺傳多樣性特性,為種質資源的高效利用打下了基礎。

  生物育種離不開基礎領域的研究與突破,尤其是基因組學的發展以及關鍵基因的挖掘與鑒定。這些基礎研究能從根本上提高育種效率。

  “在不清楚目標性狀受哪些基因控制或調控之前,育種專家只能依賴于田間表現對品種進行選擇或淘汰,而無法做到針對基因型的直接選擇。參考基因組的構建大大加速了基因挖掘的速度。”黎亮說。

  為此,中國農業大學完成了玉米自交系Mo17的高質量參考基因組;北京農科院也構建了中國玉米骨干自交系“黃早四”的高質量基因組圖譜;中國農業科學院公布了基于1218個玉米自交系的第三代多態性數據。

  “在此基礎上,科學家們克隆了多個重要農藝性狀的基因,比如克隆了玉米生育期、株型建成、耐密、抗病相關的基因并闡明了遺傳機制,揭示了現代玉米育種過程中基因組選擇與遺傳改良規律。這些研究成果大大推動了分子標記輔助育種向前發展。”黎亮說。

  構建玉米育種的“高鐵技術”

  “傳統玉米育種中,如果想把某個優良的基因融合到某個自交系中,需要將攜帶這個基因的材料和這個自交系進行雜交,然后通過不斷自交或者回交的方式獲得新的自交系。在不清楚哪個基因控制某種目標性狀之前只能通過每個世代的田間表現進行選擇,如果能清楚哪個基因控制某種目標性狀,則可以利用分子標記輔助選擇。”黎亮說,盡管如此,這種傳統模式仍然耗時費力,周期很長。

  而單倍體育種技術的出現革命性地打破了這一傳統育種模式。近年來,以生物誘導為基礎的玉米單倍體育種技術,成為可與基因編輯技術、分子標記輔助育種技術相媲美的現代玉米育種三大核心技術之一。單倍體植株只含有一個染色體組,含有多個染色體組的是多倍體,包括玉米在內的很多物種都是多倍體。單倍體育種,是利用組織培養技術在多倍體植株花粉期獲得單倍體,然后再對單倍體進行染色體組加倍,從而形成純合自交系品種。

  黎亮表示,工程育種技術為提高育種效率提供了保障,其中的單倍體育種技術,最快可一年甚至7—8個月獲得純系,顯著提升了育種效率,被譽為玉米育種的“高鐵技術”。

  記者獲悉,中國農業大學陳紹江教授團隊圍繞單倍體育種技術攻關20余年,在單倍體的高頻誘導、高效鑒別和高通量加倍3個核心技術環節均有了技術突破,從而使這項技術在我國玉米育種中得以推廣應用。在單倍體的誘導機理方面,團隊克隆了控制單倍體誘導的兩個基因,并實現了單倍體技術向小麥、擬南芥等其他物種的發展,使得我國在這一領域的研究處于國際領先水平。

  玉米基因編輯技術研究與國際同步

  基因編輯等生物技術為改變某些目標性狀提供了新的路徑和策略。

  基因編輯技術是近10年來新興的顛覆性生物技術,具有變異明確、穩定遺傳、研發效率高與適用范圍廣等特點。該技術的出現打破了傳統玉米育種所遇到的瓶頸難題,極大地推動了現代玉米育種的發展。

  “經過多年不懈改進,基于細菌適應性免疫機制原理,我國科學家研發出了以RNA為指導識別單元、以核酸修飾酶為定點突變活性工具酶的新一代基因編輯技術體系。該技術體系能夠對目標基因實行精準突變或修飾,從而使育種專家獲得所需的生物育種性狀。”黎亮說。

  作科所謝傳曉研究員團隊就在這一研究領域做了大量創新性的工作,使得我國在玉米基因編輯育種的技術儲備和國際水平保持同步。

  團隊利用基因編輯技術對玉米育性基因的功能結構域進行了定點定向刪除,從而創制了核不育系,并巧妙地利用基因編輯技術使之與保持系技術兼容,從而創制出操控型核不育保持系品種。

  “用這種技術育成新品種后,在進行制種時不再需要人工或機械去雄,可以實現‘一步法’制種,降低了生產成本。”黎亮說。

  他表示,未來多項育種技術的有機融合將大大提高玉米育種的效率,形成新的工程化育種模式。



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