分子设计育种技术 让水稻实现既高产又优质

吴月辉

2018年01月08日10:15  来源:人民网-科技频道
 

长江中下游稻区是我国水稻主产区之一,历史上一直是水稻育种水平和生产水平非常高的地区。但近20年以来,该地区水稻产量进入一个缓慢增长期,存在着品质较差、抗病性弱、主栽种品种退化严重等问题,由此也带来了抗生素和农药滥用等一系列问题。

在这种情况下,科学家们一直在思索:能否找到水稻质与量的“完美协调”,让其综合能力达到最佳?

经过多年的努力,以中国科学院院士李家洋领衔的研究团队终于找到了这个“完美协调点”。他们运用分子设计育种的理念和技术,经过精心的杂交“设计”,育成了具有理想株型及超高产、早熟和抗稻瘟病等优秀基因的水稻新品种。

日前,这一突破性成果也因其具有引领作用,对指导未来作物遗传改良、保障国家粮食安全具有重大战略意义,而摘得2017年国家科技奖自然科学一等奖桂冠。

在过去半个世纪里,中国的水稻育种实现了两次重要突破,成为世界范围内第一次“绿色革命”的重要组成部分。

第一次是上世纪60年代矮化育种的成功,把水稻产量提高了20%~30%;第二次是上世纪70年代中期杂交水稻的研究成功,水稻产量在矮秆良种的基础上又增长20%左右。

两次突破很好解决了中国等发展中国家的温饱问题。那么,如何在吃饱的同时又能吃好,让水稻既高产又优质?

这个问题,李家洋在美国留学时就开始不断思考。1994年,在美国完成博士后学业之后,他就立刻回到国内,为实现这一目标开始努力。

李家洋选择了“分子设计”育种技术为研究方向。“‘分子设计’育种技术是世界作物遗传改良领域最先进的技术,它可以实现基因的直接选择和有效聚合,也就是说可以精确改良缺点,聚合多个优点,不但有望实现水稻既高产又优质,同时还能大幅度提高育种效率,缩短育种年限,并且实现‘精确育种’。”

多数农作物的经济性状,比如高产、稳产、优质、高效等,都受到多个基因的调控,并具有“模块化”特性。

“水稻也一样。所以,在这个过程中我们需要首先了解清楚水稻不同基因对应的不同性状,以及不同基因耦合可能产生的性状,解析它们表达调控机制、彼此作用的模式,然后将这些基因根据需要进行相对精确的重新组合,得到我们需要的品种,让杂交、选种过程变得有目标、可预见。”李家洋说,“这就像搭积木,我们有针对性地选择需要的积木,更快更好地搭建出需要的建筑。”

然而,这个搭积木的过程并不容易。

李家洋坦陈,最艰难的时期就是研究的起步阶段。当时正值上世纪90年代末,要克隆一个水稻基因是一个极其巨大的挑战。

“在世界范围,这也是一个巨大挑战,没有先例可循。怎么办?我们只能自己摸索研究,建立一套图位克隆水稻基因的体系。”李家洋说。

最终,经过8年的努力攻关,李家洋团队成功建立了一套图位克隆水稻基因体系。“有了这个体系,我们就可以克隆水稻的所有基因,这为我们之后的所有研究奠定了基础。”

“最让我高兴的是,之后的研究中我们成功找到了最关键基因。”李家洋说,这种名为理想株型的基因可以让株型更优。“茎秆更粗壮,穗子大、谷粒大,这是高产最重要的性状。”

除了让水稻能既高产又优质外,“分子设计”育种技术还能让育种时间大大缩短。常规育种需要7至8年才能选出育种材料,“分子设计”育种技术能将其缩短到4至6年甚至更短,育种周期缩短为原来的1/2至1/3,实现了快速、定向、高效培育系统改良的作物新品种。

李家洋说:“在常规育种中,杂交后的新稻株要等到在田里生长后,科学家才能用肉眼‘海选’出想要的性状植株。但在分子模块设计育种中,哪怕还是小苗,只要做一次基因检测,就能“锁定”想要的那一棵。”

李家洋说,“分子设计”育种技术与转基因无关。因为,它没有引入外来基因等,只是在水稻天然基因里筛选“优质”基因,然后利用“分子设计”育种技术,提高育种精准度和效率。

李家洋表示,接下来课题组还将进一步朝“量身定制”方向努力。“比如,针对糖尿病人等特殊人群,可以设计研制低糖的水稻。”

创新感言:

李家洋:第一,一定要有挑战科学难题的勇气和精神。不要因为别人解决不了,就觉得自己肯定也解决不了,要敢于挑战,要有信心;第二,要有一个非常好的团队,这非常关键。这个团队既包括自己的课题组成员,也包括很好的合作伙伴。大家要有共同兴趣,互相信任,有默契,能够齐心协力去做事情。第三,必须要有契而不舍的精神,要全身心投入,在困难的时刻不动摇,能够一直坚持下去;第四,要具备科学的敏锐性。如果没有敏锐性,你根本不知道一项科学研究最重要的关键点在哪里?要知道哪些方向需要坚持,哪些不需要坚持,否则就会走到死路上去。

(责编:张歌、吴亚雄)

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