優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻、耐鹽堿的小麥、高蛋白的大豆，糧食作物品種不僅高產(chǎn)，還擁有很多優(yōu)良特性。無肌間刺的異育銀鯽，吃魚時再也不用擔心被小刺卡住；在黃河三角洲鹽堿地試種的番茄品種，別有一番風味……這些品種或品系，都來源于2019年11月中國科學院啟動的A類先導專項“種子精準設(shè)計與創(chuàng)造”（以下簡稱“種子專項”）。針對我國新時期糧食安全、生態(tài)安全及農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重大戰(zhàn)略需求，院內(nèi)22家單位聯(lián)合院外8家單位開展協(xié)同攻關(guān)。
“六年來，種子專項在新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品三個維度取得了多項突破——挖掘了一批高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、氮高效利用、抗逆抗病等關(guān)鍵基因與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了基因組精準編輯、四倍體野生稻快速從頭馴化等核心技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)制了37個先導型新品種，切實發(fā)揮了戰(zhàn)略性先導科技專項在種子創(chuàng)新方面的引領(lǐng)作用。”中國科學院院士、種子專項首席科學家李家洋介紹。
“搶占種業(yè)科技制高點，不僅在于擁有一批具有競爭力的當家品種，更在于是否能構(gòu)建起自主的、引領(lǐng)性的種業(yè)科學體系與創(chuàng)新生態(tài)，為世界糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻‘中國方案’。”中國科學院可持續(xù)發(fā)展科技研究局局長薛強闡述種子專項的戰(zhàn)略意義。
以“精準設(shè)計”找尋“破局之道”
李家洋介紹，種子專項分為四個項目，“種子精準設(shè)計的分子基礎(chǔ)”挖掘出一批關(guān)鍵基因，揭示復雜性狀形成的調(diào)控機制，建立精準設(shè)計的“核心元件庫”；“種子精準設(shè)計的變革技術(shù)”在關(guān)鍵核心技術(shù)上實現(xiàn)突破；“設(shè)計型新品種創(chuàng)造”著重研發(fā)“一增兩減”（增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)，減少化肥農(nóng)藥使用，減少自然災害損失）品種；“精準設(shè)計育種研究平臺”為上述工作提供支撐。
依靠有限的自然資源，怎樣生產(chǎn)更多的糧食？產(chǎn)量提升過度依賴化肥投入，困局怎樣破解？怎樣通過選育新品種，找到克服白粉病、赤霉病等病害的策略？
中國科學院院士、植物研究所研究員種康介紹兩項突破——讓水稻“減肥”不減產(chǎn)，給小麥裝上“免疫盾牌”。
長期以來，育種的首要目標是高產(chǎn)，這導致一些重要基因資源的丟失，以致主栽水稻品種的肥料利用效率普遍較低。
從52個國家（地區(qū)）的110份早期水稻農(nóng)家種中，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所（以下簡稱“遺傳所”）研究員儲成才團隊鑒定到一個關(guān)鍵基因OsTCP19，通過調(diào)節(jié)水稻分蘗提高氮肥的利用效率。研究組將這一“丟失”的基因重新引入現(xiàn)代水稻品種，在氮肥減少20%至30%的情況下，攜帶該基因的水稻分蘗數(shù)更多，產(chǎn)量保持穩(wěn)定。
白粉病是一種由真菌引起的病害。近年來，在小麥和大麥中發(fā)現(xiàn)一類新型抗病蛋白串聯(lián)激酶，可使小麥表現(xiàn)出對多種真菌病害的抗性。遺傳所研究員劉志勇團隊從小麥地方品種“葫蘆頭”中克隆到編碼串聯(lián)激酶的廣譜抗白粉病基因Pm24。研究人員將Pm24基因分子模塊導入到多個高產(chǎn)小麥底盤品種，創(chuàng)制的新種質(zhì)已發(fā)放給國內(nèi)多家單位進行抗病育種。
當前，抗赤霉病的小麥資源有限。遺傳所研究員韓方普團隊將目光鎖定發(fā)現(xiàn)的新型赤霉病抗病模塊（主效基因非當前已知的抗赤霉病基因）。“把小麥的‘遠親’二倍體長穗偃麥草中具有優(yōu)異赤霉病抗性的染色體片段導入主栽小麥品種，我們培育出兼具赤霉病抗性和優(yōu)良農(nóng)藝性狀的小麥新品系‘中科’系列。‘中科166’的推廣面積已近150萬畝。”種康院士介紹。
“工欲善其事，必先利其器”
如果說基因是生命的代碼，那么中國科學家不僅需要拿到打開代碼的“鑰匙”，還要成為優(yōu)秀的“程序員”。
病原菌侵染植物需要利用植物自身的“感病基因”。感病基因突變通常能夠賦予植物廣譜持久的抗病性，因其往往具有重要的生理功能，突變大多給植物生長發(fā)育帶來多種負面效應。
早在2014年，中國科學院的研究人員就定向突變小麥的感病基因MLO，獲得對白粉病具有廣譜持久抗性的材料，卻也出現(xiàn)早衰、植株變矮、產(chǎn)量下降等現(xiàn)象。
怎樣實現(xiàn)“魚與熊掌兼得”？研究發(fā)現(xiàn)，將小麥感病基因MLO位點附近的一個304Kb片段刪除，就可以使小麥表現(xiàn)出對致病菌的抗性，同時植株的生長發(fā)育和產(chǎn)量正常。然而，小麥是六倍體作物，對六個等位基因同時實現(xiàn)基因突變絕非易事。
遺傳所研究員高彩霞團隊和微生物研究所邱金龍團隊合作，自主研發(fā)的多重基因組編輯技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。采用這項技術(shù)，對MLO的六個等位基因進行精準操控，僅2個多月就成功在多個小麥主栽品種中獲得具有廣譜白粉病抗性的小麥新種質(zhì)。2024年，該小麥新種質(zhì)拿到我國首個口糧作物基因編輯生產(chǎn)應用安全證書。
人類將野生植物馴化為作物經(jīng)歷了上萬年。李家洋院士團隊首次提出并實踐的“異源四倍體野生稻快速從頭馴化”新策略，可將馴化時間縮短至數(shù)年，開辟了全新的育種路徑。
在自然界中，仍存在大量優(yōu)異野生植物未被人類使用。以水稻為例，目前廣泛種植的是二倍體栽培稻，稻屬還有25種野生植物，起源于南美洲的異源四倍體野生稻具有生物量大、環(huán)境適應能力強等優(yōu)勢，同時也具有非馴化特征，無法進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
種質(zhì)資源篩選、野生稻高效遺傳轉(zhuǎn)化、基因組組裝注釋……研究團隊攻克了重重難關(guān)，成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時間不同程度縮短的各種基因編輯源四倍體野生稻材料，首次證明了從頭馴化策略培育新型作物的可行性，為糧食安全提供戰(zhàn)略性技術(shù)儲備。
延展創(chuàng)新的廣度與深度
“目標清、可考核、用得上、有影響、推得開、留得下”，這是種子專項的十八字要求，強調(diào)把理論探索、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)應用融合為一體，培育出真正面向產(chǎn)業(yè)需求的突破性新品種。
種質(zhì)資源遺傳變異不清、整合數(shù)據(jù)平臺缺位，限制了大豆精準設(shè)計育種的發(fā)展。遺傳所田志喜研究員團隊應用數(shù)學圖論方法，創(chuàng)新基因組分析方法，構(gòu)建首個植物（大豆）圖形結(jié)構(gòu)泛基因組圖譜。開發(fā)了多維組學數(shù)據(jù)庫SoyOmics。在此基礎(chǔ)上，研究團隊精準聚合優(yōu)良性狀，成功培育出“科豆”“東生”系列等10個高產(chǎn)高營養(yǎng)大豆新品種。
在水產(chǎn)設(shè)計育種領(lǐng)域，中國科學院水生生物研究所桂建芳院士團隊首次提出“雙三倍體”概念，創(chuàng)建了基于生殖方式轉(zhuǎn)換導致基因組重構(gòu)產(chǎn)生優(yōu)勢克隆系的設(shè)計育種技術(shù)體系。同時研究團隊還將“非減數(shù)融合”生殖與基因編輯相結(jié)合，創(chuàng)建育性可控設(shè)計育種技術(shù)體系，創(chuàng)制出既“無肌間刺”又不育的可用于養(yǎng)殖的異育銀鯽。
東北稻區(qū)，李家洋院士團隊研發(fā)的“中科發(fā)5號”在鹽堿地畝產(chǎn)突破600公斤。南方雙季稻區(qū)，“中科發(fā)早粳1號”實現(xiàn)我國雙季早粳稻品種零的突破，通過提高早稻米的品質(zhì)和商業(yè)價值，帶動農(nóng)民增收。
未來育種競逐的賽道在哪里？種子專項“品種重新設(shè)計與快速馴化”課題負責人、遺傳所研究員許操總結(jié)出三個“賽跑”：與氣候變化和農(nóng)業(yè)災害賽跑；與資源消耗速度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本提升賽跑；與人工智能等新技術(shù)帶來的生產(chǎn)方式變革賽跑。
種子專項設(shè)置了智能育種方向——智能品種，能主動響應環(huán)境變化優(yōu)化分配資源；智能培育，采用人工智能、大數(shù)據(jù)等與先進生物技術(shù)深度融合的方式快速培育品種。
李家洋表示，育種研究要從“五個新”發(fā)力，即新現(xiàn)象、新機制、新載體、新技術(shù)、新方法體系。特別是“新載體”，一些生命現(xiàn)象只存在于獨特的物種中，這些獨特物種應當作為關(guān)鍵研究載體得到高度重視，這是中國基礎(chǔ)科學研究走出自主發(fā)展道路的重要切入點。此外，復雜性狀模塊耦合機制——即高產(chǎn)、高效、抗病、優(yōu)質(zhì)等優(yōu)良性狀如何融合，物種擁有廣泛環(huán)境適應性的內(nèi)在機制原理，以及遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)對受體基因型依賴的問題等，其深層機制尚不明晰，均是未來育種研究的重要方向。
來源：農(nóng)民日報（https://szb.farmer.com.cn/nmrb/html/2026/20260126/20260126_6/nmrb_20260126_13216_6_2015537209306877964.html）
