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雖面臨跨國公司在我國開展品種推廣的競爭壓力，我國玉米自育品種的種植面積仍達(dá)90%以上。“十三五”期間，“中單123”“中單685”“中玉303”“中單111”等10個(gè)高產(chǎn)抗逆宜機(jī)收新品種相繼育成。結(jié)合密植高產(chǎn)全程機(jī)械化綠色技術(shù)體系，2020年我國玉米再創(chuàng)畝產(chǎn)1663.25公斤新紀(jì)錄。視覺中國供圖

編者按 2020年我國糧食總產(chǎn)量比上年增加113億斤，實(shí)現(xiàn)“十七連豐”。據(jù)中國農(nóng)科院公布的數(shù)據(jù)，在種植面積減少的情況下，我國糧食產(chǎn)量仍實(shí)現(xiàn)年年增產(chǎn)，這一減一增背后是科技的力量，其中良種培育是至為關(guān)鍵的一環(huán)。本報(bào)將分門別類地介紹各種作物的育種情況，帶你了解它們背后的生物育種故事。

玉米是我國最重要的糧食作物之一，玉米的自給率可達(dá)95%以上。我國農(nóng)業(yè)主管部門主要負(fù)責(zé)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(jìn)步與創(chuàng)新。”玉米育種專家、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所(以下簡稱農(nóng)科所)研究員黎亮在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示。

常規(guī)育種技術(shù)周期長、優(yōu)良親本自交系選擇率低，很難在短時(shí)間內(nèi)選育出所需要的品種。近年來，單倍體育種、分子標(biāo)記輔助育種、基因編輯育種等生物技術(shù)的應(yīng)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(tài)區(qū)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(dá)90%以上，實(shí)現(xiàn)這個(gè)比例是很不容易的，是國內(nèi)廣大育種者共同努力的結(jié)果。”黎亮說。

多年前，我國玉米品種普遍存在單產(chǎn)水平低、耐密性差、抗病抗蟲能力弱等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了我國玉米的產(chǎn)能。同時(shí)我國玉米種質(zhì)資源相對匱乏，極大地限制了對高產(chǎn)耐密抗病蟲能力強(qiáng)的玉米品種的選育。

為了解決這個(gè)“硬骨頭”，農(nóng)科所黃長玲研究員團(tuán)隊(duì)廣泛搜集國內(nèi)外優(yōu)良玉米種質(zhì)資源，潛心鉆研，充分利用分子標(biāo)記技術(shù)輔助玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新，歷經(jīng)23年，先后育成耐密性好、產(chǎn)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(qū)推廣后，該地區(qū)玉米種植密度提升30%(每畝增加1000株)，產(chǎn)量增幅高達(dá)39.3%，成為西南地區(qū)主導(dǎo)玉米品種。“中單909”在我國黃淮海玉米區(qū)試種期間，平均畝產(chǎn)比黃淮海主推品種“鄭單958”增產(chǎn)5.1%，在全國高產(chǎn)潛力研究實(shí)驗(yàn)中，更是創(chuàng)造出畝產(chǎn)1376公斤的高產(chǎn)紀(jì)錄。

繼“中單808”和“中單909”之后，農(nóng)科所玉米研究團(tuán)隊(duì)并沒有止步。他們繼續(xù)朝著新的育種目標(biāo)尤其是當(dāng)前的高優(yōu)質(zhì)綠色目標(biāo)開展研發(fā)攻關(guān)，整合各項(xiàng)育種技術(shù)，進(jìn)行材料創(chuàng)制和品種選育，并取得了可喜的進(jìn)展。

他們還構(gòu)建了以密植增穗增產(chǎn)、高質(zhì)量群體構(gòu)建、病蟲害綠色防控、機(jī)械粒收與全程機(jī)械化作業(yè)、秸稈還田為主的玉米密植高產(chǎn)全程機(jī)械化綠色技術(shù)體系，2020年創(chuàng)畝產(chǎn)1663.25公斤新紀(jì)錄，再次刷新我國玉米高產(chǎn)紀(jì)錄。

此外，“十三五”期間，農(nóng)科所團(tuán)隊(duì)還育成了“中單123”“中單685”“中玉303”“中單111”等10個(gè)高產(chǎn)抗逆宜機(jī)收新品種，為提高我國玉米產(chǎn)量作出了貢獻(xiàn)。

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(yōu)良基因。“由于我國并非玉米的起源地，玉米種質(zhì)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，農(nóng)科所建立了我國玉米種質(zhì)資源的安全保護(hù)體系，安全保存了3萬余份種質(zhì)資源。并且牽頭完成了對主產(chǎn)區(qū)2000份玉米種質(zhì)資源的關(guān)鍵性狀(如抗旱、抗病、氮利用效率、抗倒、籽粒脫水速率等)評價(jià)，闡明了我國玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性特性，為種質(zhì)資源的高效利用打下了基礎(chǔ)。

生物育種離不開基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究與突破，尤其是基因組學(xué)的發(fā)展以及關(guān)鍵基因的挖掘與鑒定。這些基礎(chǔ)研究能從根本上提高育種效率。

“在不清楚目標(biāo)性狀受哪些基因控制或調(diào)控之前，育種專家只能依賴于田間表現(xiàn)對品種進(jìn)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(gòu)建大大加速了基因挖掘的速度。”黎亮說。

為此，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)完成了玉米自交系Mo17的高質(zhì)量參考基因組;北京農(nóng)科院也構(gòu)建了中國玉米骨干自交系“黃早四”的高質(zhì)量基因組圖譜;中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院公布了基于1218個(gè)玉米自交系的第三代多態(tài)性數(shù)據(jù)。

“在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們克隆了多個(gè)重要農(nóng)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(guān)的基因并闡明了遺傳機(jī)制，揭示了現(xiàn)代玉米育種過程中基因組選擇與遺傳改良規(guī)律。這些研究成果大大推動(dòng)了分子標(biāo)記輔助育種向前發(fā)展。”黎亮說。

構(gòu)建玉米育種的“高鐵技術(shù)”

“傳統(tǒng)玉米育種中，如果想把某個(gè)優(yōu)良的基因融合到某個(gè)自交系中，需要將攜帶這個(gè)基因的材料和這個(gè)自交系進(jìn)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(gè)基因控制某種目標(biāo)性狀之前只能通過每個(gè)世代的田間表現(xiàn)進(jìn)行選擇，如果能清楚哪個(gè)基因控制某種目標(biāo)性狀，則可以利用分子標(biāo)記輔助選擇。”黎亮說，盡管如此，這種傳統(tǒng)模式仍然耗時(shí)費(fèi)力，周期很長。

而單倍體育種技術(shù)的出現(xiàn)革命性地打破了這一傳統(tǒng)育種模式。近年來，以生物誘導(dǎo)為基礎(chǔ)的玉米單倍體育種技術(shù)，成為可與基因編輯技術(shù)、分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)相媲美的現(xiàn)代玉米育種三大核心技術(shù)之一。單倍體植株只含有一個(gè)染色體組，含有多個(gè)染色體組的是多倍體，包括玉米在內(nèi)的很多物種都是多倍體。單倍體育種，是利用組織培養(yǎng)技術(shù)在多倍體植株花粉期獲得單倍體，然后再對單倍體進(jìn)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(shù)為提高育種效率提供了保障，其中的單倍體育種技術(shù)，最快可一年甚至7—8個(gè)月獲得純系，顯著提升了育種效率，被譽(yù)為玉米育種的“高鐵技術(shù)”。

記者獲悉，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江教授團(tuán)隊(duì)圍繞單倍體育種技術(shù)攻關(guān)20余年，在單倍體的高頻誘導(dǎo)、高效鑒別和高通量加倍3個(gè)核心技術(shù)環(huán)節(jié)均有了技術(shù)突破，從而使這項(xiàng)技術(shù)在我國玉米育種中得以推廣應(yīng)用。在單倍體的誘導(dǎo)機(jī)理方面，團(tuán)隊(duì)克隆了控制單倍體誘導(dǎo)的兩個(gè)基因，并實(shí)現(xiàn)了單倍體技術(shù)向小麥、擬南芥等其他物種的發(fā)展，使得我國在這一領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先水平。

玉米基因編輯技術(shù)研究與國際同步

基因編輯等生物技術(shù)為改變某些目標(biāo)性狀提供了新的路徑和策略。

基因編輯技術(shù)是近10年來新興的顛覆性生物技術(shù)，具有變異明確、穩(wěn)定遺傳、研發(fā)效率高與適用范圍廣等特點(diǎn)。該技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)玉米育種所遇到的瓶頸難題，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代玉米育種的發(fā)展。

“經(jīng)過多年不懈改進(jìn)，基于細(xì)菌適應(yīng)性免疫機(jī)制原理，我國科學(xué)家研發(fā)出了以RNA為指導(dǎo)識別單元、以核酸修飾酶為定點(diǎn)突變活性工具酶的新一代基因編輯技術(shù)體系。該技術(shù)體系能夠?qū)δ繕?biāo)基因?qū)嵭芯珳?zhǔn)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。

農(nóng)科所謝傳曉研究員團(tuán)隊(duì)就在這一研究領(lǐng)域做了大量創(chuàng)新性的工作，使得我國在玉米基因編輯育種的技術(shù)儲(chǔ)備和國際水平保持同步。

團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)對玉米育性基因的功能結(jié)構(gòu)域進(jìn)行了定點(diǎn)定向刪除，從而創(chuàng)制了核不育系，并巧妙地利用基因編輯技術(shù)使之與保持系技術(shù)兼容，從而創(chuàng)制出操控型核不育保持系品種。

“用這種技術(shù)育成新品種后，在進(jìn)行制種時(shí)不再需要人工或機(jī)械去雄，可以實(shí)現(xiàn)‘一步法’制種，降低了生產(chǎn)成本。”黎亮說。

他表示，未來多項(xiàng)育種技術(shù)的有機(jī)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。(記者 馬愛平)